超临界压力下高温热化学非平衡流管内流动数值与实验研究

发布时间：2017-08-23 10:05

  本文关键词：超临界压力下高温热化学非平衡流管内流动数值与实验研究

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【摘要】：随着高超声速飞行器研究的深入,其动力部件的主动冷却热防护技术越来越受到广泛重视。吸热型碳氢燃料作为发动机的推进剂和冷却剂在主动热防护中扮演着重要角色,其在发动机供油管路中处于一种高温热化学非平衡流的状态,对伴有化学热裂解的碳氢燃料在高温管路中的流动裂解传热研究对于指导发动机供油系统设计具有重要意义。本文即对高温热化学非平衡流展开数值与实验研究。首先提出一种可用于研究以正癸烷为工质伴有化学反应的流动传热数值计算方法,并从单一物性,混合物物性,跨临界流动传热和超临界流动传热方面对计算模型的准确性进行了验证。验证结果表明该数值计算方法对于超临界条件下高温热化学非平衡流的计算具有较高精度。其次应用经过验证的数值计算模型对加热段和绝热段内高温热化学非平衡流进行研究,重点研究了热流密度和压力对流动裂解传热及其耦合特性、热沉释放特性的影响,结果表明高温热化学非平衡流的以上特性在加热段和绝热段中表现出不同的分布规律。再次对可能存在于发动机高温供油管路中突扩结构进行二维数值模拟,从减小突扩结构处回流区面积,降低回流区内部裂解率大于下游方面对高温区突扩结构设计方案进行优化,结果显示斜角突扩比直角突扩形成高温回流区面积小且回流区内没有出现反应物含量低于下游的现象。最后搭建了用于研究带有绝热段效应的串级加热系统,对高温热化学非平衡流在加热段和绝热段中的裂解传热特性进行了实验研究。实验结果表明,绝热段中化学反应仍在继续进行且进行的程度不可忽略,不同压力下绝热段中化学反应进行程度不同。
【关键词】：超临界 碳氢燃料 耦合特性 绝热段
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V231
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-20
• 1.1 课题背景与研究意义8-14
• 1.1.1 超燃冲压发动机是高超声速飞行器的核心部件8-9
• 1.1.2 主动冷却热防护技术是超燃冲压发动机的关键技术9-11
• 1.1.3 碳氢燃料热裂解对再生冷却的影响11-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.2.1 超燃冲压发动机的研究现状14-15
• 1.2.2 超燃冲压发动机主动冷却热防护研究现状15-16
• 1.2.3 超临界条件下高温热化学非平衡流研究现状16-18
• 1.3 本课题的研究意义18
• 1.4 本文主要研究内容18-20
• 第2章 高温热化学非平衡流计算模型与验证20-40
• 2.1 引言20
• 2.2 高温热化学非平衡流的计算方法20-25
• 2.2.1 物理模型及边界条件20-21
• 2.2.2 控制方程21-23
• 2.2.3 热物理性质23-24
• 2.2.4 化学反应模型24-25
• 2.3 计算模型简化及验证25-38
• 2.3.1 碳氢燃料热裂解简化模型26
• 2.3.2 高温热化学非平衡流模型验证26-38
• 2.4 本章小结38-40
• 第3章 超临界直管内高温热化学非平衡流数值研究40-68
• 3.1 引言40
• 3.2 化学反应对流动换热特性影响40-42
• 3.3 热流密度对高温热化学非平衡流特性影响42-57
• 3.3.1 热流密度对流动特性的影响42-46
• 3.3.2 热流密度对裂解特性的影响46-48
• 3.3.3 热流密度对流动裂解耦合特性的影响48-54
• 3.3.4 热流密度对热沉释放的影响54-56
• 3.3.5 热流密度对绝热段综合特性的影响56-57
• 3.4 压力对高温热化学非平衡流特性影响57-66
• 3.4.1 压力对流动特性的影响58-61
• 3.4.2 压力对裂解特性的影响61-62
• 3.4.3 压力对流动裂解耦合特性的影响62-64
• 3.4.4 压力对热沉释放的影响64-66
• 3.5 本章小结66-68
• 第4章 高温热化学非平衡流在变截面通道内流动裂解特性研究68-79
• 4.1 引言68
• 4.2 物理模型68-69
• 4.3 高温区不同突扩结构研究69-74
• 4.3.1 回流区特性参数的定义70
• 4.3.2 突扩结构处流动裂解特性分析70-74
• 4.4 不同入口温度下突扩结构处裂解特性74-78
• 4.4.1 温度分布特性74-76
• 4.4.2 产物分布特性76-78
• 4.5 本章小结78-79
• 第5章 超临界管内高温热化学非平衡流实验研究79-95
• 5.1 引言79
• 5.2 实验设计79-80
• 5.3 实验方案及数据处理方法80-85
• 5.3.1 实验方案80-83
• 5.3.2 数据处理方法83-85
• 5.4 实验结果85-93
• 5.4.1 不同压力下产物分布85-91
• 5.4.2 不同压力下绝热段进出口裂解率分布91-93
• 5.5 本章小结93-95
• 结论95-96
• 参考文献96-100
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果100-102
• 致谢102

【参考文献】

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4 洪长青;张幸红;韩杰才;张贺新;;热防护用发汗冷却技术的研究进展(Ⅰ)──冷却方式分类、发汗冷却材料及其基本理论模型[J];宇航材料工艺;2005年06期

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1 朱丹阳;吸热型碳氢燃料热沉的测定及影响因素[D];天津大学;2004年

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本文编号：724403