超临界压力下高温热化学非平衡流管内流动数值与实验研究

摘要

随着高超声速飞行器研究的深入，其动力部件的主动冷却热防护技术越来越受到广泛重视。吸热型碳氢燃料作为发动机的推进剂和冷却剂在主动热防护中扮演着重要角色，其在发动机供油管路中处于一种高温热化学非平衡流的状态，对伴有化学热裂解的碳氢燃料在高温管路中的流动裂解传热研究对于指导发动机供油系统设计具有重要意义。本文即对高温热化学非平衡流展开数值与实验研究。
　　首先提出一种可用于研究以正癸烷为工质伴有化学反应的流动传热数值计算方法，并从单一物性，混合物物性，跨临界流动传热和超临界流动传热方面对计算模型的准确性进行了验证。验证结果表明该数值计算方法对于超临界条件下高温热化学非平衡流的计算具有较高精度。
　　其次应用经过验证的数值计算模型对加热段和绝热段内高温热化学非平衡流进行研究，重点研究了热流密度和压力对流动裂解传热及其耦合特性、热沉释放特性的影响，结果表明高温热化学非平衡流的以上特性在加热段和绝热段中表现出不同的分布规律。
　　再次对可能存在于发动机高温供油管路中突扩结构进行二维数值模拟，从减小突扩结构处回流区面积，降低回流区内部裂解率大于下游方面对高温区突扩结构设计方案进行优化，结果显示斜角突扩比直角突扩形成高温回流区面积小且回流区内没有出现反应物含量低于下游的现象。
　　最后搭建了用于研究带有绝热段效应的串级加热系统，对高温热化学非平衡流在加热段和绝热段中的裂解传热特性进行了实验研究。实验结果表明，绝热段中化学反应仍在继续进行且进行的程度不可忽略，不同压力下绝热段中化学反应进行程度不同。

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第1章绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本课题的研究意义

1.4本文主要研究内容

第2章高温热化学非平衡流计算模型与验证

2.1引言

2.2高温热化学非平衡流的计算方法

2.3计算模型简化及验证

2.4本章小结

第3章超临界直管内高温热化学非平衡流数值研究

3.1引言

3.2化学反应对流动换热特性影响

3.3热流密度对高温热化学非平衡流特性影响

3.4压力对高温热化学非平衡流特性影响

3.5本章小结

第4章高温热化学非平衡流在变截面通道内流动裂解特性研究

4.1引言

4.2物理模型

4.3高温区不同突扩结构研究

4.4不同入口温度下突扩结构处裂解特性

4.5本章小结

第5章超临界管内高温热化学非平衡流实验研究

5.1引言

5.2实验设计

5.3实验方案及数据处理方法

5.4实验结果

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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