高性能空天动力中液态碳氢燃料超临界蒸发及燃烧特性研究

With the increasing of thrust-weight ratio for high-speed propulsion devices in aeronautics and astronautics in the future, the temperature and pressure of the combustion chamber are becoming higher and higher, approaching supercritical conditions. The research on the characteristics of the supercritical evaporation and combustion of liquid hydrocarbon fuels is considered to be one of the key problems for high-speed propulsion devices. The specificity of the physical parameters for liquid hydrocarbon fuels in supercritical condition makes the processes of spray, evaporation and combustion quite different from those in subcritical condition, and conventional evaporation and combustion models are no longer applicable. Based on experimental study, and combined with theoretical analysis and numerical methods, this project intends to research the characteristics and control rules of the supercritical evaporation and combustion of liquid hydrocarbon fuels. The physical parameters of liquid hydrocarbon fuels in different supercritical conditions will be experimentally measured, and the computational model of physical parameters will be developed. Based on the experimental results, the measuring methods of supercritical mass flow rate and the numerical model of supercritical evaporation and combustion will be proposed. The characteristics of evaporation and combustion of individual fuel droplet in supercritical environment will be studied in detail. Characteristics and fundamentals of supercritical constant-volume combustion and constant-pressure combustion will be comparatively analyzed. All of these could lay a theoretical and technique foundation for combustion organization in the combustors and the design for advanced aero- and astro-engines.

未来高性能空天动力装置中由于高推重比的要求，使得燃油燃烧的环境温度和压力越来越高并达到超临界状态，因此探索液态碳氢燃料的超临界蒸发和燃烧特性是高性能空天动力研究领域急需解决的关键问题之一。液态碳氢燃料超临界物性的特殊性使得其喷射、蒸发和燃烧过程以及流量的测量方法均与亚临界工况差别很大，常规的蒸发和燃烧模型此时均不再适用。本项目拟以实验研究为主，辅以理论和数值分析，探索液态碳氢燃料的超临界蒸发燃烧特性与控制规律。实验测量液态碳氢燃料在不同超临界工况下的物性参数并发展合适的超临界物性计算方法，在实验基础上探索超临界液态碳氢燃料的流量测量方法，研究单个液滴在超临界环境中的蒸发和燃烧规律，建立超临界液滴蒸发和燃烧的数值模型，并对比研究超临界定容燃烧和定压燃烧的基本特性，为未来先进发动机燃烧室中的燃烧组织和设计提供理论与技术基础。

随着高超声速飞行器的发展，未来高性能动力装置的工作参数和冷却需求越来越高，其燃烧室环境和喷射燃油的温度和压力有望分别超过燃油临界值，达到超临界工况。当发动机燃烧室环境达到超临界时，燃油的雾化、蒸发和燃烧规律会发生一定改变。这是因为当液态燃油达到超临界态时，它会变成一种具有接近液态燃料热值的高密度类气态物质，使得喷射和燃烧过程与常规工况迥然不同。因此，本项目主要围绕RP-3航空煤油的超临界喷射、蒸发和燃烧特性开展了相关研究，主要研究内容与重要结果如下：.1）通过实验分别对RP-3航空煤油的组分构成、密度、泡点、露点和临界点等物性参数进行了测量，并基于PR状态方程发展了RP-3航空煤油的密度计算方法。.2）在超临界环境中采用石英纤维悬垂液滴的方式，研究了单个RP-3航空煤油液滴在超临界环境中的蒸发特性，对比分析了与常规亚临界蒸发过程的差异，得到了环境参数和液滴初温对液滴无量纲直径平方、瞬态蒸发常数、蒸发寿命、最大初始膨胀率和液滴边界迁移等特性的影响；采用高速摄影分别拍摄了燃油亚临界和超临界喷射过程中的宏观射流形态，对比了不同喷射工况下喷射特性间的差异，分析了喷射温度和喷射压力对喷射扩张角的影响规律；基于阴影显微成像系统，对燃油超临界/跨临界喷射中的近场激波结构进行了测量，得到了不同喷射形态下喷射参数的改变对马赫盘形状的影响，提出了马赫盘结构与喷射参数间的函数关系。.3）通过实验方法，研究了超临界RP-3航空煤油与氮气同轴喷射和掺混的近场射流结构和射流冷凝规律，得到了超临界掺混射流受主流参数、掺混气流参数和掺混结构的影响，揭示了超临界燃油喷射到静止超临界氮气环境中的射流特征。.4）开展了以超临界RP-3航空煤油作为PDRE燃料的发动机台架试验，得出了超临界燃油对工作性能的提升作用。