航空煤油超临界换热与氧化结焦理论与实验研究

【摘要】：使用航空发动机外涵空气-航空燃料作为冷源的空油冷却技术,将在未来航空发动机进一步发展中起到至关重要的作用。而提高燃料换热性能与热稳定性的研究对于空油冷却技术具有重要意义。首先,本文提出了航空煤油RP-3四组分物性替代模型,并利用实验数据验证了其可靠性。结果表明该模型可以很好的预测超临界压力下各物性随温度的变化规律,特别是对拟临界温度的预测很准确,该模型为热沉实验的预估和换热计算提供了很好的保障。其次,对煤油流动换热过程中的重要影响因素进行了研究。分别进行了典型工况下换热过程、不同压力、不同流量、不同换热结构的实验研究。结果表明,超临界压力下,物性的改变对换热影响显著。压力的变化对燃料换热的影响主要通过对热物性的改变,压力在临界压力附近时换热最佳;流量的改变引起雷诺数的变化进而影响燃料的流动状态,所以螺旋管内强化换热是湍流流动与二次流共同作用的结果。根据实验数据,提出了考虑变物性、入口效应与边界层效应的航空煤油RP-3在直管,S型管,螺旋管三种换热结构下的超临界换热关联式。之后,在航空煤油氧化结焦特性实验研究中,采用换热性能分析、沿程结焦分析、液相成分与结焦形态分析几种方法,考察了温度、入口效应、溶解氧浓度、停留时间、强化对流换热、二次流和温度梯度对燃料氧化结焦过程的影响。结果表明:入口效应导致结焦增大;清除燃料中的溶解氧可有效减少结焦;停留时间通过雷诺数的变化影响流场的流动状态,进而对于结焦反应所发生的边界层造成影响;二次流对于结焦和换热影响显著,温度梯度的变化是产生结焦沉积的重要原因之一。对于影响结焦的因素的主次要关系进行排序为温度氧含量温度梯度流动状态。最后,建立了航空煤油RP-3氧化结焦机理,其中考虑了温度梯度影响的结焦过程。对超临界压力下航空煤油在不同入口氧含量下的换热与结焦过程进行了数值计算,并与实验值进行了比对。结果表明,计算对不同氧含量下的结焦总量与溶解氧消耗的预测较为准确,对于正常氧含量沿程结焦预测最为吻合。 【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V312

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