主动冷却用碳氢燃料可控吸热反应过程的关键问题

热防护系统是近空间高超声速飞行器的重大关键技术。主动冷却技术是热防护的解决方案之一，它利用碳氢燃料作为冷却剂提供热沉。在实现热沉过程中，碳氢燃料不仅发生提高热沉的裂解吸热反应，还产生恶化传热的结焦。催化/换热主动冷却技术，是利用换热通道内的催化剂涂层加速碳氢燃料裂解反应速率，优化反应途径与提高热沉能力的新方法。本项目拟在模拟高超声速飞行器极端热环境的主动冷却实验平台上，系统研究超临界碳氢燃料在催化/换热通道中的可控吸热化学反应行为。研究内容包括：催化剂组成、流动状态和碳氢燃料烃组成对裂解反应速率、产物选择性、结焦和传热速率的调控机制与基础理论；碳氢燃料可控吸热裂解反应的机理与动力学模型，并应用于新型冷却通道内超临界碳氢燃料反应与传热的计算流体力学模拟。本项目力图解决催化/换热结构碳氢燃料可控吸热化学反应的关键问题，为高超声速飞行器热防护结构设计提供新的研究思路。

本项目拟在模拟高超声速飞行器极端热环境的主动冷却实验平台上，系统研究了超临界碳氢燃料在催化/换热通道中的可控吸热化学反应行为，主要结果研究有：1）在管式涂层反应器中进行模型燃料正十二烷的催化裂解。通过研究分子筛酸性位和孔道结构的变化对正十二烷裂解率和产物分布的影响，探讨催化裂解机理、催化剂稳定性和失活模式的一般规律，揭示超临界烃裂解条件下，分子筛酸性质和孔结构的协调作用机制。2）煤油在管内的传热特性分为三个区域，包括临界点以前的传热强化区、拟临界点附近传热恶化区以及远离临界点的化学热裂解区；传热特性与Re密切相关；在传热恶化区，Pr对传热特性影响较大；在化学裂解区，传热关联式系数与经典的Dittus-Boelter式系数接近。3）发展了煤油型碳氢燃料的分子裂解动力学模型，该模型包括18个物种和24个反应（1个一次反应、23个二次反应）。预测值与实验值的比较，发现该模型能较为满意地预测高转化率条件下煤油的裂解行为，包括转化率、主要气相产物、芳烃以及中间馏分的生成和消耗过程。碳氢燃料可控吸热裂解反应的机理与动力学模型。4）发表SCI论文11篇，国际会议论文3篇，国内会议论文5篇。在基金的资助下，共培养博士生6名，硕士生9名，申请专利2项。这些研究结果对于解决碳氢燃料可控吸热化学反应的关键问题，提供了重要的实验和理论参考。