应用于燃料主动冷却性能研究的传热装置及若干测量技术

摘要

以机载燃料作为冷却剂的主动冷却技术在液体火箭推进、亚/超燃冲压推进以及航空发动机领域均有广泛的应用前景以超燃冲压发动机冷却系统为例，燃料的冷却过程可以大致描述为：燃料从储油系统经过第一道油路控制分成几路流入发动机各部件结构内的冷却通道燃料在通道中利用对流传热和化学吸热机理吸收热量，将壁面温度控制在一定范围内，同时其自身温度不断提高从冷却通道流出的高温燃料经过第二道油路控制，分成几路注入燃烧室燃烧整个冷却路径形成一个闭合系统利用燃料作为冷却剂有着冷却结构相对简单、冷却效率较高，飞行器无需携带额外冷却剂和冷却设备，燃料吸热后将有助于其混合、燃烧，以及从壁面吸收的热量得以回收利用等诸多优点但是，燃料冷却也存在着相应的技术难点首先，碳氢燃料如航空煤油，是含有上千种碳氢化合物的复杂混合；并且在冷却过程中燃料随着温度、压力的变化可能经历液态、超临界态、气态以及裂解态多个物态，其热物理特性变化复杂，难以用单一模型描述同时，物态变化也决定了燃料流动、对流换热、化学吸热的复杂性另外，由于冷却系统为闭合系统，冷却用油与燃烧用油必须相匹配，这就决定了冷却剂用量有限，冷却结构需要非常合理、优化的设计不合理的冷却系统设计可能造成局部过热，或者严重结碳、通道堵塞，甚至导致整个系统的失败由此可见，燃料的高温热物理特性、不同物态下的对流传热与流动阻力特性、裂解吸热性能、以及高温结碳规律这4个方面构成了冷却系统设计最急需和最重要的基础研究内容有关燃料各项性能的研究在国外开展较早如美国，从上世纪70年代就开展了针对不同基础油性能的研究工作最近十几年，美国针对具有优良热稳定性以及制备价格相对低廉的JP－8+燃油进行了一系列研究，基本上建立了系统、可靠的燃油性能数据库我国在燃料性能基础数据的积累方面起步较晚，燃料热物性，流动、对流传热以及在高温、高压条件下的裂解吸热特性的研究很大程度上取决于相关的流动与传热设备的发展针对流体流动与传热研究的传统设备为电加热或者加热带加热圆管，即采用通直流电或者圆管外缠加热带加热，沿圆管流向测量管壁温度和进出口油温，以获得流动和传热参数它的优点是设备及测量手段相对简单，并且有很多传热经验公式可以验证设备和测量的可靠性但缺点也比较明显：1)电/加热带加热使得热流沿圆管周向呈均匀分布，而真实的冷却通道壁面热流分布沿通道周向极不均匀，靠近发动机内流一侧的通道壁面将接受大部分从内流传递过来的热量，如图1 所示这种非均匀热流分布称为热流单侧加载可以预见，燃料的流动和传热特性将受到热流单侧加载的很大影响，需要相应的设备来研究；2)冷却通道的非圆形截面大多数冷却结构并非圆形通道，如火箭喷管常采用大高宽比的矩形通道因此，圆管试验结果能否直接运用到非圆形通道结构上，也需要相应的设备来验证；3)以往针对小口径圆管的燃料传热试验，几乎都仅测量了燃料的进出口温度和管壁温度至于燃料沿管流方向的温度和热流分布，则通过1 维稳态传热模型推出采用这种方法源于小管道内流体温度很难精确测量；同时壁面热流更难测量，尤其对于高热流条件(100－1000kW/m2)。