微小通道内超临界化学反应流边界层特征及流动控制研究

Improving the cooling capacity of hydrocarbon fuel is a key problem to develop active thermal protection of hypersonic propulsion. The coupling among chemical reaction, flow, heat transfer and mass transfer in mini-channel results in complicated flow field structure in boundary layer，which has a great influence on the cooling process. In this project, large eddy simulation model of chemical reaction flow will be built, and, numerical simulation and experimental research will be combined to carry on the study on the basis of cracking reaction experimental set-up of hydrocarbon fuel with high temperature. The structure and distribution of flow field in boundary layer of hydrocarbon fuel chemical reaction flow will be revealed, and, the coupling and interaction mechanism among flow, heat transfer, mass transfer and chemical reaction will be further understood. Based on the understanding of boundary layer flow structure, the boundary layer control method of chemical reaction flow will be proposed to control the chemical reaction process and enhance the heat transfer in mini-channel. The above research is able to provide the theoretical support, and is of significant importance to the improvement of engine's performances and the increase of the flight Mach number.

提高碳氢燃料的冷却能力是发展高超声速推进主动热防护技术的关键问题之一。微小通道内化学反应与流动、传热、传质过程间的耦合作用使得边界层内的流场结构呈现复杂的分布特点，对燃料的冷却过程具有很大影响。本项目将建立化学反应大涡模拟计算模型，在已建立的碳氢燃料高温裂解实验平台基础上，采用数值计算与实验相结合的研究手段，进一步揭示碳氢燃料化学反应流边界层流场结构及分布规律，认识流动、传热、传质与化学反应之间的耦合关系及相互作用机理。基于以上对边界层流场结构的认识，以控制燃料化学反应过程、强化换热为目的，进一步提出化学反应流边界层控制方法。以上研究内容为进一步发展高超声速推进主动热防护技术提供了理论支撑，对于提升高超声速飞行器的性能和拓展发动机的飞行马赫数范围均具有重要的意义。

高效的冷却技术是发展高超声速飞行器及相关技术的难点。本项目针对微小冷却通道内，碳氢燃料裂解反应与流动、传热和传质过程之间的耦合机理，及其对边界层流场结构的影响开展了相关研究。提出了从特征时间的角度，分别定义了碳氢燃料裂解反应过程中的：化学反应速率特征时间、流动特征时间、管道径向的热扩散特征时间和质量扩散时间，定量地揭示了裂解反应与流动、传热、传质之间的耦合特性。发现了化学反应流场近壁区裂解反应速率与热边界层呈现类似的分布规律。发现了碳氢燃料高转化率条件下，由化学反应所引起的传热恶化现象。对比研究了边界层内不同结焦层厚度条件下的传热变化特性，发现了导致传热恶化的临界结焦厚度。开展了凹陷涡局部强化换热结构研究，发现了凹陷涡结构可有效增强超临界流体的传热。上述研究内容，为高超声速飞行器冷却通道结构设计和局部冷却结构优化提供了理论支撑。