氧化裂解反应对碳氢燃料超声速气膜冷却流动换热机理的影响

Film cooling is one of the most important way to improve the cooling limits of aerospace engine. Duo to the fast increasing flight Mach number of hydrocarbon fueled scramjet engine, the heat load of the engine has exceeded the limits of its previous cooling method, the supersonic film cooling using gaseous hydrocarbon fuel as coolant has become a very important supplement cooling method in order to improve the engine’s cooling limit. For the supersonic film cooling with gaseous hydrocarbon fuel as coolant, pyrolysis and oxidation of hydrocarbon fuel which occurs during the mixing process between cooling film and the main flow will have significant effects on the flow and heat transfer process of the cooling film since the reaction is non-equilibrium. In this project, in order to reveal the effects of pyrolysis and oxidation reaction on the flow and heat transfer mechanism of supersonic film cooling, numerical model of supersonic film cooling considering the oxidation and pyrolysis reaction will be built and the reaction process of the hydrocarbon fuel along with the development of supersonic film cooling will be explored. Based on that, the multi-influence mechanism of pyrolysis and oxidation reaction on the supersonic film cooling will be studied and the research about how the supersonic film cooling with pyrolysis and oxidation reaction is influenced by the reaction parameters will also be carried out. The results of this project will provide support for the design of the supersonic film cooling using gaseous hydrocarbon fuel as coolant and enlarge the denotation and connotation of film cooling.

气膜冷却是提升航空航天发动机冷却极限的重要手段。随着碳氢燃料超燃冲压发动机飞行马赫数的不断提升，发动机热载荷超出原有冷却方式的承受极限，以气态碳氢燃料为冷却源的超声速气膜冷却开始成为提升碳氢燃料超燃冲压发动机冷却极限的重要辅助手段。气态碳氢燃料组织超声速气膜过程中与高温含氧主流发生非平衡的氧化裂解反应，给超声速气膜冷却流动换热带来了新的特点和挑战。为了揭示氧化裂解反应对碳氢燃料超声速气膜冷却流动换热机理的影响，本项目将建立带有氧化裂解反应的碳氢燃料超声速气膜冷却流动换热数值模型，探索氧化裂解反应在超声速气膜冷却过程中的发生发展过程，研究氧化裂解反应对超声速气膜冷却流场/温度场特征的多重影响机制，揭示不同反应参数下氧化裂解反应对超声速气膜冷却效果的影响规律。本项目的相关研究成果将对以大分子碳氢燃料为冷却源的超声速气膜冷却提供必要的支撑，同时有效的丰富气膜冷却的外延和内涵。

碳氢燃料超燃冲压发动机在面向高马赫，长航时飞行时的热载荷将超出原有冷却方式的承受极限，而在壁面附近使用碳氢燃料组织气膜冷却是提升碳氢燃料超燃冲压发动机冷却极限的有效手段。碳氢燃料气膜冷却与经典气膜冷却的不同之处在于燃料气膜中会发生吸放热并存的氧化裂解反应，从而为碳氢燃料气膜冷却过程增加了新的化学变量。为了揭示氧化裂解反应对碳氢燃料超声速气膜冷却效果的影响，本项目研究内容主要为建立适用于典型碳氢燃料超燃冲压发动机飞行工况条件下的数值计算模型。基于数值模型深入分析高温含氧主流作用下的碳氢燃料气膜中氧化裂解反应的发展过程，研究氧化裂解反应对碳氢燃料超声速气膜冷却流场/温度场的多重影响机制，并揭示不同流动和几何参数下氧化裂解反应对超声速气膜冷却效果的影响规律。通过研究，本项目根据正癸烷的详细反应机理简化得到了单步PPD反应模型，并得到了基于PPD模型和骨架机理的碳氢燃料超声速气膜冷却数值仿真模型，从而为超燃冲压发动机冷却系统的设计提供了准确实用且成本低廉的预测手段，对指导发动机冷却系统的设计具有重要意义。研究表明碳氢燃料气膜在高温含氧主流作用下会发生边界层燃烧现象，其中的氧化裂解反应具有分区分布特征，且对气膜冷却效果具有双重影响，即表现为在气膜前端吸热裂解反应显著的区段气膜的冷却效果得到一定程度的提升，而在气膜后部放热氧化反应显著的区段气膜的冷却效果恶化。这一双重影响的本质是气膜中吸放热的能量源项间相互博弈的结果。在工程上可根据这一双重影响机制充分利用氧化裂解反应来提升碳氢燃料气膜的冷却能力。对碳氢燃料气膜冷却的参数化研究表明了重要的几何和流动参数对气膜冷却效果的影响规律，为工程中碳氢燃料气膜冷却系统的设计优化提供指导。最后，研究还发现气膜中的氧化裂解反应可以大幅提升碳氢燃料气膜的减阻效果，使得碳氢燃料气膜的防热和减阻具有一定的协同匹配规律。