主動冷卻燃燒室熱平衡特性研究.pdf

1、如何實(shí)現(xiàn)有效的長時間熱防護(hù)是當(dāng)前國際上超燃沖壓發(fā)動機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。采用吸熱型碳?xì)淙剂蠈Πl(fā)動機(jī)燃燒室進(jìn)行主動冷卻能兼顧發(fā)動機(jī)性能、結(jié)構(gòu)重量與熱防護(hù)的綜合需求，為各航空航天大國廣泛接受。主動冷卻燃燒室設(shè)計(jì)面臨的首要問題是如何實(shí)現(xiàn)熱平衡時燃燒特性和傳熱特性的匹配，涉及氣固液耦合傳熱、吸熱型碳?xì)淙剂狭鲃觽鳠帷⒘呀夥磻?yīng)、高溫燃料超聲速燃燒等復(fù)雜物理化學(xué)現(xiàn)象。論文圍繞主動冷卻燃燒室熱平衡特性這一課題，采用先分解再綜合、逐步推進(jìn)的研究思路。

2、首先開展碳?xì)淙剂瞎艿懒鲃觽鳠岷透邷厝剂先紵匦匝芯?，然后綜合已有工作建立主動冷卻燃燒室熱平衡特性評估方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后利用建立的評估方法針對典型的主動冷卻燃燒室開展熱平衡特性研究。論文完成的主要工作和取得的成果如下:
　　(1)完成了碳?xì)淙剂想娂訜峁軐?shí)驗(yàn)，建立了適用于層流區(qū)、過渡區(qū)和湍流區(qū)碳?xì)淙剂系膶α鱾鳠彡P(guān)聯(lián)式。
　　設(shè)計(jì)并開展了碳?xì)淙剂想娂訜峁軐?shí)驗(yàn)，結(jié)合理論分析、一維管道傳熱計(jì)算方法，得到了層流區(qū)、過渡區(qū)和湍流區(qū)

3、碳?xì)淙剂系膶α鱾鳠彡P(guān)聯(lián)式。利用正十烷和RP-3電加熱管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了燃料對流傳熱關(guān)聯(lián)式的適用性。此部分工作體現(xiàn)在論文第二章。
　　(2)研制了燃料加熱及輸送系統(tǒng)，完成了高溫燃料燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究及分析。
　　設(shè)計(jì)并研制了燃料加熱及輸送系統(tǒng)，系統(tǒng)最高加熱溫度700K、最大流量500g/s、穩(wěn)定供應(yīng)時間＞15s、最高供應(yīng)壓力7MPa。利用直連式燃燒設(shè)備和熱沉式燃燒室模型，在來流Ma3.0條件下，開展高溫RP-3燃燒特性實(shí)驗(yàn)，其中

4、當(dāng)量油氣比0.3～1.0、燃料溫度300～700K、噴前壓力1.5～7.0MPa。結(jié)果表明:相同來流和當(dāng)量油氣比時，燃料溫度從300K提高到650K，燃燒室壁壓提高10％～15％;貧油點(diǎn)火極限的當(dāng)量油氣比由0.5拓展至0.3，噴前壓力由2.0MPa拓展至1.5MPa;在一定范圍內(nèi)，噴注壓力對燃燒室壁壓分布影響較小。因此，在主動冷卻燃燒室熱平衡評估中，需要合理考慮燃燒室壁壓提升引起的壁面熱流變化。此部分工作體現(xiàn)在論文第三章。
　　(

5、3)基于已有工作，建立了主動冷卻燃燒室熱平衡特性評估方法。
　　基于燃料電加熱管和高溫燃料燃燒特性實(shí)驗(yàn)，結(jié)合一維管道傳熱計(jì)算方法、AHL3D軟件平臺和三維傳熱計(jì)算程序，建立了主動冷卻燃燒室熱平衡特性評估方法，并利用主動冷卻面板和縮尺主動冷卻燃燒室實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。前者表明:在1.1MW/m2熱流下，實(shí)驗(yàn)和評估的燃料溫度及外壁溫最大偏差分別小于80K和88K，燃料裂解率分別為9.32％和9.02％。后者表明:在來流Ma2.5、當(dāng)量油

6、氣比0.82、冷卻燃料當(dāng)量比1.6條件下，評估和實(shí)驗(yàn)外壁溫與燃料溫度最大偏差分別小于90K和83K?？紤]到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)環(huán)境嚴(yán)酷，熱平衡評估方法得到的結(jié)果是可信的。此部分工作體現(xiàn)在論文第四章。
　　(4)利用建立的熱平衡特性評估方法，完成了縮尺和全尺寸主動冷卻燃燒室的熱平衡特性評估。
　　對應(yīng)Ma2.5來流狀態(tài)，開展了熱平衡特性評估，評估結(jié)果表明:
　　1)在當(dāng)量油氣比0.82、燃料熱裂解率～10％時，縮尺主動冷卻

7、燃燒室達(dá)到熱平衡狀態(tài)需要的最小冷卻燃料當(dāng)量比為1.66，與實(shí)驗(yàn)值1.6接近，熱平衡評估中考慮了燃料溫度對燃燒室壁面熱流的影響;
　　2)在當(dāng)量油氣比1.0、不利用燃料化學(xué)熱沉（完全不裂解）時，縮尺和全尺寸主動冷卻燃燒室達(dá)到熱平衡狀態(tài)需要的最小冷卻燃料當(dāng)量比分別為2.0和1.8，表明利用縮尺燃燒室得到的熱平衡特性評估結(jié)果應(yīng)用到全尺寸燃燒室時偏于保守;
　　3)在當(dāng)量油氣比1.0、燃料化學(xué)熱沉完全利用（完全裂解）時，全尺寸主動冷

8、卻燃燒室達(dá)到熱平衡狀態(tài)需要的最小冷卻燃料當(dāng)量比為1.0，表明在目前的主動冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下，燃料化學(xué)熱沉利用殆盡的理想情況，全尺寸燃燒室才有望實(shí)現(xiàn)理想的熱平衡狀態(tài)，即燃油和冷卻燃料流量完全匹配。
　　此部分工作體現(xiàn)在論文第五章。
　　通過本文研究，建立了適用于管道內(nèi)層流區(qū)、過渡區(qū)和湍流區(qū)碳?xì)淙剂系膶α鱾鳠彡P(guān)聯(lián)式，研制了燃料加熱及輸送系統(tǒng)，建立了主動冷卻燃燒室熱平衡特性評估方法，加深了對主動冷卻燃燒室熱平衡特性的認(rèn)識，為主動冷卻燃