吸热型碳氢燃料热解反应与微尺度流动耦合机理研究

Thermal loads are serious threat for scramjets now. Regenerative cooling is one of the key technologies, using the cracking of endothermic hydrocarbon fuel to provide additional cooling ability, to protect scramjet chamber. But it can’t meet the demands of thermal protection at high Mach number. Therefore, a new theoretically method is strongly required to improve cooling efficiency. Endothermic hydrocarbon fuel transpiration cooling with porous media, which provides us with a new viewpoint and an effective tool for improving cooling efficiency, not only a good application of transpiration cooling but also can be used for providing additional chemical heat sink. Cooling efficiency can be remarkably raised by using this technology, and it’s very likely to extend the range of Mach number that scramjets can work to 10-20. The key of this technology is the interaction characteristics between the progress of transpiration and pyrolysis reaction. There are many microchannel in the porous media, and endothermic hydrocarbon fuel flow in these microchannel. In the same time, heat exchange happens between the solid skeleton and porous fluid. Special micro heat and mass transfer influence the chemical reaction path and product distribution of reaction, and the reverse process is established. The key of this coupled problem is the multiphasic interactions, which transiently modify the permeability of the structure and the cooling efficiency. This program aims at the flow, heat exchange and pyrolysis reaction of endothermic hydrocarbon fuel in porous media, try to find out the relationship between micro flow and pyrolysis reaction.

超燃冲压发动机面临严重热载荷问题。使用吸热型碳氢燃料作为冷却剂的再生冷却可利用大分子热解反应提供额外冷却能力，但仍无法满足高马赫数下的热防护需求。在高热流密度区域使用基于多孔介质的吸热型碳氢燃料发汗冷却，综合了发汗冷却高效率和高热沉吸热型碳氢燃料额外化学热沉的优势，极有可能大幅提高发动机热承载能力并将飞行范围扩展到马赫数10-20以上，其关键问题是发汗过程与热解过程的相互作用规律。吸热型碳氢燃料在微细多孔通道内流动，并与金属固体骨架之间进行热量交换。微尺度下特殊的传热传质过程对化学反应路径和产物分布产生干扰，同时化学反应过程的改变又对传热传质规律造成影响，包括化学反应在内的多物理场强耦合作用是吸热型碳氢燃料发汗冷却技术中的关键和难点。本项目拟开展吸热型碳氢燃料在多孔介质内的流动、换热及热解的研究，以期阐明吸热型碳氢燃料微细多孔流动与热解反应之间的强耦合关系，为新型热防护技术奠定理论基础。

针对超燃冲压发动机面临严重热载荷问题，使用吸热型碳氢燃料作为冷却剂的再生冷却可 利用大分子热解反应提供额外冷却能力，但仍无法满足高马赫数下的热防护需求。在高热 流密度区域使用基于多孔介质的吸热型碳氢燃料发汗冷却，综合了发汗冷却高效率和高热 沉吸热型碳氢燃料额外化学热沉的优势，极有可能大幅提高发动机热承载能力并将飞行范 围扩展到马赫数10-20以上。. 本项目开展了多孔介质渗流特性，多孔介质内换热规律、高温裂解反应机理及简化，多孔通道内的裂解换热特性，并扩展了基金评审中提到的多孔内沉积问题进行了初步分析，并将微尺度流动的多孔发汗冷却运用到发动机上进行了数值模拟与实验研究。得到了不同尺度下多孔介质渗流的线性规律；碳氢燃料多孔介质强化传热规律以及强化与流阻特性。发展了详细机理的简化方法,并运用于后面的裂解传热模拟。发展了再生冷却与发汗冷却耦合的零维模型，得到了冷却剂注入率及通道流率对发汗冷却效率的影响规律；提出了一种多计算域多阶段的发汗冷却跨声速数值模拟方法，得到了超声速条件下多孔壁面边界层的无量纲速度与温度分布规律。. 提出的多孔介质发汗冷却与再生冷却耦合方法，发展了非热平衡模型及多计算域多阶段的发汗冷却耦合计算方法，可用于可重复使用发动机热防护问题。给出了不同工况下的有效冷却边界，可为工程提供有效的预测，得到了航空航天动力单位的高度认可。设计了发汗冷却多孔柱状结构，可为后期发动机高热流壁面燃料注入提供了强有力的技术支撑。