超臨界壓力碳氫燃料瞬態(tài)加熱響應特性

嚴俊杰，祝銀海，蘆澤龍，姜培學

（清華大學熱能工程系，熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084）

引言

超聲速燃燒沖壓發(fā)動機是未來軍用和民用航空器的一個重要發(fā)展方向，被稱為航空史上的第三次革命[1]。超燃沖壓發(fā)動機的研制涉及傳熱、燃燒、機械、材料等多個學科。在高Mach數(shù)下，飛行器的某些部件需要進行冷卻，尤其是燃燒室需要良好的冷卻系統(tǒng)來彌補材料的耐熱極限。

傳統(tǒng)的空氣冷卻技術由于空氣的熱容較小，無法達到良好的冷卻效果；另一方面，液體工質冷卻技術又由于需要飛行器自帶液體工質與附帶散熱器，增加了飛行器的質量，不利于提速。在此背景下，人們提出了再生冷卻技術，即利用燃料進行冷卻，吸熱后的燃料再進入燃燒室進行燃燒。一方面燃料的熱容遠大于空氣，冷卻效果較好；另一方面燃料被預熱，回收了一部分的熱量，燃燒效果也會更好；再者，燃料被預熱后會發(fā)生裂解，高碳烴裂解為燃燒性能更好的低碳烴，進一步優(yōu)化了燃燒。不同Mach數(shù)下工作的燃燒室需要的燃料熱沉大致如圖 1所示[2]。Mach數(shù)為 6時，大致需要 2000 kJ·kg-1的燃料熱沉。

圖1 不同Mach數(shù)下工作的燃燒室需要的燃料熱沉[2]Fig.1 Heat sink as a function of Mach number[2]

燃料作為冷卻劑對進氣道和燃燒室壁面進行冷卻時，處于超臨界壓力狀態(tài)。超臨界壓力流體與普通壓力下的流體相比有著特殊的性質。變物性是超臨界壓力流體的主要特征之一，在準臨界溫度（即給定壓力下比定壓熱容最大值對應的溫度）附近，流體的熱物性隨溫度的變化異常劇烈, 并呈非單調性的變化。劇烈的物性變化使超臨界壓力流體呈現(xiàn)出更加復雜的流動換熱規(guī)律，已有研究[3-9]發(fā)現(xiàn)超臨界壓力流體在豎直管道中對流換熱時，流道截面徑向流體密度差引起的浮升力會影響流動換熱，使對流換熱發(fā)生強化或惡化；而在管道的軸向方向存在壓力降低和溫度變化引起的密度變化，會引起流體流動加速，進而導致?lián)Q熱出現(xiàn)局部惡化現(xiàn)象。

實際的發(fā)動機中啟動、變工況等均為非穩(wěn)態(tài)條件，對于超臨界碳氫燃料的非穩(wěn)態(tài)流動、換熱特性研究非常必要。特別地，與超臨界壓水堆（SCWRs）類似，超燃沖壓發(fā)動機中也可能出現(xiàn)加熱通道內流體的流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，產(chǎn)生壓力波動，從而導致應力而帶來安全隱患。國內外學者對于超臨界流體的流動不穩(wěn)定性開展了一定的研究。Hitch等[10-11]實驗發(fā)現(xiàn)了甲基環(huán)己烷和 JP-7航空煤油在壓力小于臨界壓力的1.5倍時容易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)浮升力所帶來的傳熱惡化時，對流傳熱系數(shù)可以低至正常情況的1/5。Sharabi等[12-15]數(shù)值研究了加熱管道中超臨界水的流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，并得出了臨界工況的判據(jù)。Hou等[16-17]用頻域法和時域法數(shù)值研究了超臨界水在加熱管道中流動的不穩(wěn)定現(xiàn)象，給出了穩(wěn)定性邊界。

但是，對于超臨界碳氫燃料的流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的實驗研究還很少。本文對超臨界壓力碳氫燃料在非穩(wěn)態(tài)加熱條件下的響應特性進行了實驗研究。

1 實驗系統(tǒng)及數(shù)據(jù)測量

1.1 實驗系統(tǒng)

圖2 實驗系統(tǒng)Fig.2 Supercritical single tube apparatus

圖3 實驗段示意圖Fig.3 Test section

如圖2，燃料首先儲存在油箱1內，經(jīng)由過濾器去除可能存在的雜質，進入高壓柱塞泵加壓流出。燃料進入穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，并經(jīng)流量計測量流量后，進入管路。之后燃料流經(jīng)回熱器被預熱，回收一部分出口高溫燃料的熱量，進入保護柜管路。保護柜在實驗時封閉，達到防火的作用。保護柜中設置了預熱段和實驗段，均在兩端加有銅電極，通以交流電進行加熱。預熱段和實驗段管路外均包裹較厚的保溫材料予以絕熱。燃料經(jīng)預熱段預熱后進入實驗段，實驗段外壁沿管長方向均勻焊置熱電偶以測量外壁溫度，另有壓力、壓差、流體溫度測量系統(tǒng)，將所有的數(shù)據(jù)采集至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并傳輸至計算機進行處理。流出實驗段后，燃料流經(jīng)回熱器將熱量回收一部分用以加熱進口燃料，之后流經(jīng)冷卻器冷卻，冷卻劑為常溫水。冷卻后的燃料經(jīng)過濾器過濾、背壓閥降壓后，進入油氣分離器分離成液相和氣相。液體收集后用氣質聯(lián)用儀（GCMS）分析成分，氣體收集后用氣相色譜分析儀（GC）分析成分。具體可見文獻[18-19]。

1.2 參數(shù)測量與儀器設備

實驗需要測量多種物理量，包括溫度、壓力、流量、電壓與電流。以下分別予以說明。

（1）溫度

溫度測量包括流體溫度測量和壁溫測量。

流體溫度測量采用K型Ⅰ級鎧裝熱電偶，壁溫測量采用OMEGA的K型Ⅰ級熱電偶，0～400℃測量誤差為±1.6℃，400～1000℃誤差為0.4%。

（2）壓力

包括壓力測量和壓差測量。

壓力測量采用壓力變送器EJA430A，量程0～16 MPa，誤差±0.075%；壓差測量采用壓差變送器EJA130A，量程-0.5～5 MPa，誤差±0.075%。

（3）流量

流量測量采用西門子MASS 2100 DI 1.5科氏力質量流量計，量程0～20 kg·h-1，誤差±0.1%。

（4）電壓與電流

電壓測量采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集器，選用Auto量程，誤差為±(讀數(shù)×讀數(shù)系數(shù)+量程×量程系數(shù))，其中讀數(shù)系數(shù)為 0.055%，量程系數(shù)為0.044%。

電流測量采用DM7510型鉗式萬用表。誤差為±(讀數(shù)×1.0%+5×直徑)。

其他儀器細節(jié)可見文獻[18-19]。

1.3 實驗段

實驗段如圖3所示。實驗段電極間總長為930 mm，從電極中部計。沿管長均勻布置11根熱電偶，間距90 mm，兩端夾銅電極，分別寬20 mm。銅電極與最近的熱電偶留出5 mm距離，以防銅電極對熱電偶產(chǎn)生干擾。流動方向為豎直向下流動。

2 實驗結果及分析

2.1 正常流動與換熱情形

工質為超臨界壓力正癸烷。對實驗段在t=0時刻施加階躍電壓，一段時間后逐漸撤去。在3 MPa壓力、4 kg·h-1流量的條件下，得到不同加熱熱流下的瞬態(tài)響應如圖4所示。

流體溫度基本呈現(xiàn)一階響應。進口壓力除了受背壓閥和柱塞泵的耦合影響產(chǎn)生微小的波動外，基本保持恒定。在初始突然施加熱流時，由于流體溫度突增，導致流體密度下降，流動加速，壓力有短時間小幅升高；一段時間后撤去熱流時同理產(chǎn)生小幅壓力下降。加熱電壓越高，流體溫度達到基本平衡所需要的時間越長。

2.2 振蕩現(xiàn)象及臨界參數(shù)

在更小的流量2 kg·h-1下，一定熱通量條件下將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。在3 MPa壓力、2 kg·h-1流量的條件下，兩次加熱熱通量較為接近的實驗，加熱熱流分別為133.7 kW·m-2和140.9 kW·m-2，瞬態(tài)響應如圖5所示。

在133.7 kW·m-2時，流動與傳熱仍為正常情況。但是在更大的加熱熱流140.9 kW·m-2時，一段時間后，將出現(xiàn)壓力的波動，這將導致流量呈相反的趨勢波動，從而出現(xiàn)流體溫度的波動。

圖4 壓力3 MPa、流量4 kg·h-1下的物理量瞬態(tài)響應Fig.4 Transient response underpin=3 MPa andG=4 kg·h-1

文獻[20]給出量綱1數(shù)NTPC和NSUBPC來判定振蕩現(xiàn)象的發(fā)生與否，并給出了對于某幾何形狀的超臨界水的數(shù)值計算結果，如圖6所示。其中Zr是一個量綱1阻尼因子，Zr<0時，流動狀態(tài)穩(wěn)定；Zr>0時，流動狀態(tài)不穩(wěn)定。

量綱1數(shù)NTPC和NSUBPC的定義為

圖5 壓力3 MPa、流量2 kg·h-1下的物理量瞬態(tài)響應Fig.5 Transient response underpin=3 MPa andG=2 kg·h-1

圖6 超臨界水穩(wěn)定域Fig.6 Stability map of supercritical water

將熱通量為140.9 kW·m-2的工況命名為A工況，熱通量為133.7 kW·m-2時為B工況，計算量綱 1數(shù)NTPC和NSUBPC并標在穩(wěn)定域圖中，如圖6所示。結果表明：超臨界壓力碳氫燃料的臨界工況與超臨界水有顯著差別，超臨界壓力碳氫燃料的Zr=0應介于點A和B之間。

3 結 論

本文通過對正癸烷在不同加熱條件下的瞬態(tài)實驗研究，得到以下主要結論。

（1）較大流量(4 kg·h-1)和較小的加熱量條件下，在給定階躍加熱電壓條件時，超臨界壓力碳氫燃料的出口流體溫度將產(chǎn)生一階響應。

（2）較小流量(2 kg·h-1)的條件下，在特定的熱通量以上，一段時間后發(fā)生振蕩現(xiàn)象。進口壓力波動將導致流量的波動，從而使得出口流體溫度產(chǎn)生波動。超臨界碳氫燃料的臨界工況和超臨界水有顯著差別。對此還需要進一步的深入研究。

符號說明

A——圓管截面積，m2

cp——比定壓熱容，J·kg-1·K-1

G——質量流量，kg·h-1

h——比焓，J·kg-1

L——通道長度，m

NSUBPC——亞準臨界數(shù)

NTPC——跨準臨界數(shù)

p——壓力，MPa

Tf——流體溫度，℃

t——時間，s

U——加熱電壓，V

w0——入口平均速度，m·s-1

Zr——量綱1阻尼因子

β——體積膨脹系數(shù)，K-1

Πh——通道周長，m

ρ——密度，kg·m-3

下角標

in——入口

pc——壓力所對應的準臨界溫度下

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