碳氢燃料催化重整传热相变与反应特性的机理研究

随着飞行马赫数不断增加，超燃冲压发动机的进口来流总温增高，作为再生冷却的液体碳氢燃料在高温壁面，特别是超音速燃烧室壁面存在着冷却量不足和结焦问题，因此开展热防护领域的新方法研究，这对于高超声速飞行器发动机的基础和应用研究有着重要的战略和实际意义。本项目以开展液体碳氢燃料催化重整热防护新方法的探索为目标，开发建立超临界压力下多相反应流传热特性试验装置，比较有无催化条件下的吸热量，分析影响液体碳氢燃料催化重整冷却的条件因素和相互关系，揭示碳氢燃料超临界压力下的传热相变特性和多相反应流动规律，开展催化重整反应和热裂解反应相互作用机理研究，得到催化重整反应过程缓解结焦的原理，从而最终将碳氢燃料催化重整反应的强吸热过程，应用在高温部件的热防护领域，解决传统液体碳氢燃料再生冷却中存在的问题。

未来更高速的飞行器动力发展面临着高热流的瓶颈，为满足日益增长的热防护需求，有必要探索高冷却能力的碳氢燃料新途径。本项目提出了采用催化重整提升热沉的新方法，将换热与化学反应有机结合，是强化传热的一种新途径。针对催化重整、热裂解反应以及表面结焦等关键科学问题，首先设计和搭建了一种研究液态燃料换热特性和多相反应流动的试验系统，系统地测量了盘管和平板结构在超临界压力下的热沉和裂解反应产物，研究不同壁面冷却结构对热沉和反应特性的影响，获得超临界压力下的煤油换热经验关系式；提出了三组分替代燃料作为煤油的替代物，基于热裂解反应产物试验结果建立了一步热裂解总包反应，对煤油在冷却槽道中超临界流动换热以及热裂解过程展开了数值模拟研究。对比了有无催化条件下的燃料吸热性能、热裂解反应以及热裂解壁面结焦沉积特性，分析了各参数对催化重整吸热和反应的影响规律以及催化重整反应能够缓解燃料结焦的机理，获得结焦沉积的经验关系式。从液相产物和热沉特性上揭示了热裂解反应和催化重整反应的相互作用机理，获得理论含水量下燃料催化重整的最大反应吸热量，远大于目前的碳氢燃料的吸热量；采用高温水蒸汽去除结焦积碳，获得良好的催化剂再生活性，突破性地解决了催化剂失效难题。以上的研究成果从吸热、反应以及结焦三个方面完整地揭示碳氢燃料催化重整在热防护过程中的作用机理，在提升热沉同时有效降低结焦，为该新方案在未来高超声速飞行器以及高速动力装置上的应用提供了理论依据。