超燃冲压发动机给料的化学调控及其与湍流燃烧耦合

Endothermic hydrocarbon fuels (EHF) designed for scramjet engines undertake dual tasks of propulsion and active thermal protection for hypersonic aircrafts. During the practical processes, the hydrocarbon fuels undergo heat transfer and decomposition at high temperatures and high pressures, and then enter into the combustor to produce the propulsion force. The components in the combustion chamber no longer keep the state and composition of the original hydrocarbon fuels. The complicated phase change and component transition within a short time under high heating flux have direct influences on the turbulent combustion and the controlled combustion techniques. Against the backgrounds of safety heat exchange and turbulent combustion for scramjet engines, in this project, the decomposition, coking and carbon deposit processes of some representative macromolecular hydrocarbon fuels will be regulated on the basis of multifunctional molecule design and nano-catalysis technique. The time-space distribution of the decomposition products and its coupling with the turbulent combustion will be investigated. Multifunctional nano-particles and hyperbranched polymer will be mainly designed and synthesized, and the corresponding nanofluids will be formed to regulate the reaction kinetics and the product distributions for the decomposition of these investigated hydrocarbon fuels. The relationship between component transition and turbulent combustion of the representative macromolecular hydrocarbon fuels is hoped to be explored. Some important experimental data and theoretical bases will be presented in order to grasp the reaction mechanism of turbulent combustion and to regulate combustion efficiency for the hydrocarbon fuels.

面向超燃冲压发动机的吸热型碳氢燃料承担主动热防护和燃烧推进的双重任务。实际运行时，碳氢燃料在高温、高压条件下经历换热、裂解，然后进入燃烧室燃烧产生推力。进入燃烧室的燃料不再保留其初始的状态和组成，高热流密度作用下短时间内复杂的相态变化和组分变迁对湍流燃烧和可控燃烧技术产生直接影响。本项目拟以发动机安全换热和湍流燃烧为背景，基于多功能分子构筑及纳米催化技术，调控典型大分子碳氢燃料在受限空间内的裂解、结焦和积碳过程，考察燃料裂解产物的时间-空间分布及其与湍流燃烧的耦合。着重设计和合成多功能化的纳米粒子、超支化聚合物等，与碳氢燃料形成纳米流体，调节碳氢燃料裂解的反应动力学和产物分布。探索典型大分子碳氢燃料组分变迁与湍流燃烧的关系，为掌握碳氢燃料湍流燃烧反应机理、调控燃料燃烧效率等提供重要的实验数据和理论基础。

面向超燃冲压发动机的吸热型碳氢燃料承担主动热防护和燃烧推进的双重任务。实际运行时，碳氢燃料在高温、高压条件下经历换热、裂解，然后进入燃烧室燃烧产生推力；进入燃烧室的燃料不再保留其初始的状态和组成，高热流密度作用下短时间内复杂的相态变化和组分变迁对湍流燃烧和可控燃烧技术产生直接影响。因此，本项目以发动机安全换热和湍流燃烧为背景，基于多功能分子构筑及纳米催化技术，比较系统地研究了典型大分子碳氢燃料在受限空间内的裂解、结焦和积碳，以及燃烧过程的调控，考察了燃料裂解产物的时间-空间分布及其与湍流燃烧的耦合。.项目着重设计和合成了多功能化的钯、铂、金、铝等纳米金属粒子，将它们用于制备碳氢燃料基纳米流体；合成了超支化聚缩水甘油（HPG）、超支化聚酰胺-胺（PAMAM）和含硫超支化共聚物（SHPGMA）等3个系列的超支化聚合物，可成为大分子引发剂、结焦抑制剂或燃烧促进剂。碳氢燃料裂解和燃烧实验表明，添加合适的纳米金属粒子、超支化聚合物或两者配伍，可以明显提高碳氢燃料的超临界裂解转化率、产气率和热沉，缩短点火延时和提升燃烧速率。其中，碳氢燃料基钯、铂等纳米流体稳定性好，催化效率高；SHPGMA具有较好的抑制催化结焦效果；SHPGMA和PHPG有提升裂解过程稳定性和抑制结焦的协同作用；PHPG、DSHPG和PPAMAM对煤油基碳氢燃料和高密度碳氢燃料JP-10的燃烧均有促进作用。结合各实验条件下详细的组分分析，可为研究典型大分子碳氢燃料裂解、燃烧反应动力学，探索碳氢燃料组分变迁与湍流燃烧的关系，掌握碳氢燃料湍流燃烧反应机理、调控燃料燃烧效率等提供重要的实验数据和理论基础。.3年内，已经发表学术期刊论文11篇，会议论文报告11篇（次）。部分研究成果已经被国家科技工程某重大专项、“两机”专项等吸收采纳。本项目可为先进推进剂的研制、碳氢燃料可控燃烧技术的发展提供一定理论基础，对推进我国新型吸热碳氢燃料研究、应用和航空航天事业发展作出了一定贡献。