吸热型碳氢燃料水动力学流动不稳定性机理研究

In thermal protection system of a novel high speed aircraft, a regenerative cooling system using heat sink of endothermic hydrocarbon fuel onboard is considered as a promising cooling technology. The propellant fuel is arranged to flow within multi-channels and absorb excess heat loads on the engine’s walls. Flow stability and heat characteristics of hydrocarbon fuel would be closely related to the safety of the whole high speed aircraft. For endothermic hydrocarbon fuel is compounded by multi-component mixtures, thermophysical properties of hydrocarbons are complex and difficult to be measured. Meanwhile, the fuel would face many challenges during working process, such as high temperature, high pressure, large heating flux, state transformation and endothermic chemical reactions. These behaviors lead to severe hydrodynamic characteristics and flow instability of endothermic fuel in a regenerative cooling system. This program will carry out researches on hydrodynamic characteristics and flow instabilities of endothermic hydrocarbons in pipes, simulating flow process on the engine’s walls. First, key thermal physical properties of fuel are measured online and a thermal physical property model be established consequently. Second, experiments are performed at different state parameters, flow parameters and passage structural parameters in pipes. The physical mechanism of dydrodynamic characteristics and inherent law of flow instability will be revealed from these experiments. Some effective measures to avoid the flow instability would also be concluded. On the basis, the computational fluid dynamics (CFD) method will be employed and a supercritical fluid mathematical physical model be explored to investigate the flow in parallel pipes. The results clarify the mechanism of thermal physical property, flow condition and passage structural parameters in the cooling process. The achievements will provide a basis theoretical support for an optimal design of regenerative cooling thermal protection system in a novel high speed aircraft.

再生主动冷却技术是新型高速飞行器热防护管理中一项具有应用前景的冷却技术。吸热型碳氢燃料作为再生主动冷却系统中的制冷剂，其流动与换热情况将直接影响到飞行器运行的性能与安全。由于燃料自身复杂的热物理性质，加之高温高压、大热流密度、气液物态转化、化学反应等苛刻工作环境的影响，吸热型碳氢燃料在流动过程中存在较为复杂的水动力特性及流动不稳定性。为此，本项目拟开展关于吸热型碳氢燃料并联多通道中的水动力学特性及流动不稳定性的机理性研究。首先，实验在线获取吸热型碳氢燃料热物性数据，建立高压力大温度范围内的热物性模型；其次，实验获得碳氢燃料复杂的水动力学特性曲线及在并联通道中流量分配、流动不稳定性的规律，总结抑制或避免流动不稳定性发生的有效措施；最后，建立超临界碳氢燃料流动换热的数学物理模型，模拟分析热物性参数、流动状态及通道结构等参数对于碳氢燃料流动过程的作用机理，为再生主动冷却热防护设计提供理论指导。

在高超声速飞行器整体能源管理系统中，热沉的有效管理以及热量的有效利用问题是制约飞行器全局系统设计的关键。利用机载燃料作为高超声速飞行器热防护“冷媒介质”的再生主动冷却技术，成为高效完成飞行器核心部件热量传导输出的关键技术。本项目围绕机载碳氢燃料的理化特性、水动力学多值特性和流动稳定性主要开展了如下工作：.首先，选取典型碳氢燃料作为研究对象，分别采用γ射线测量、双毛细管和流动量热测试方法完成密度、粘度和定压比热的在线测量；利用测量获取的热物性数据，构建了测试工况条件下碳氢燃料的热物性数学模型，从而为接下来工作中的流动不稳定性实验与数值分析提供理论支撑。.构建了超临界流体水动力学数学模型，并用实验方法验证了超临界碳氢化合物水动力学多值特性的存在。实验发现提高压力、增加、流体入口焓值、降低热载荷密度可以改善超临界压力下流体的水动力稳定性，同时管道尺寸长度的减小和管径的增大同样有助于流体稳定性的增加；实验各参量以及流动方向还将对流动不稳定起始点产生显著影响，基于实验数据，采用量纲分析方法总结归纳出了适用于超临界流体流动不稳定起始点的经验关联式，量化获得了流动不稳定阈值边界。.采用逐步升负荷和快速升负荷两种热流条件，获取了并联双通道内流量分配和流动传热不稳定性的实验结果。近临界区域内物性随扰动的剧烈变化使得子通道间的结构和换热微小差异发生剧烈变化，从而引起燃料在子通道间的分配不均匀。提高入口冷态流速会倾向于使并联双通道间流量分配偏差加剧，而压力的提高可以有效地抑制了拟临界区附近物性的变化程度，有助于提高并联双管系统的流动分配稳定性；同时通道入口施加节流措施可以有效地消除流动不稳定性。结构长度的改变在加热流体温度低于（拟）临界温度之前对于流量分配与流动稳定性无明显影响。.采用Lyapunov理论、数值分析以及分岔理论识别平衡点的动力学稳定性特征，表征流量漂移过程；构造流量漂移全局相图，识别初值边界位置，量化评价有限大扰动对流量漂移影响；确定流动不稳定性起始点真实位置，获取其典型特征。开展不同流动参数和通道结构中流体流动稳定性的机理性分析，给出多通道流通结构的最佳设计参数。结合以上模拟分析结果，本项目设计完成了两款不同设计结构与尺寸的高效换热单元，所获得的研究结果将为再生主动冷却热防护结构设计提供理论支持。