嚴(yán)俊杰，祝銀海，蘆澤龍，姜培學(xué)

（清華大學(xué)熱能工程系，熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

引言

超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是未來(lái)軍用和民用航空器的一個(gè)重要發(fā)展方向，被稱(chēng)為航空史上的第三次革命[1]。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研制涉及傳熱、燃燒、機(jī)械、材料等多個(gè)學(xué)科。在高M(jìn)ach數(shù)下，飛行器的某些部件需要進(jìn)行冷卻，尤其是燃燒室需要良好的冷卻系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)材料的耐熱極限。

傳統(tǒng)的空氣冷卻技術(shù)由于空氣的熱容較小，無(wú)法達(dá)到良好的冷卻效果；另一方面，液體工質(zhì)冷卻技術(shù)又由于需要飛行器自帶液體工質(zhì)與附帶散熱器，增加了飛行器的質(zhì)量，不利于提速。在此背景下，人們提出了再生冷卻技術(shù)，即利用燃料進(jìn)行冷卻，吸熱后的燃料再進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒。一方面燃料的熱容遠(yuǎn)大于空氣，冷卻效果較好；另一方面燃料被預(yù)熱，回收了一部分的熱量，燃燒效果也會(huì)更好；再者，燃料被預(yù)熱后會(huì)發(fā)生裂解，高碳烴裂解為燃燒性能更好的低碳烴，進(jìn)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(shí)，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(duì)進(jìn)氣道和燃燒室壁面進(jìn)行冷卻時(shí)，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(zhì)。變物性是超臨界壓力流體的主要特征之一，在準(zhǔn)臨界溫度（即給定壓力下比定壓熱容最大值對(duì)應(yīng)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(diào)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(fù)雜的流動(dòng)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(duì)流換熱時(shí)，流道截面徑向流體密度差引起的浮升力會(huì)影響流動(dòng)換熱，使對(duì)流換熱發(fā)生強(qiáng)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(huì)引起流體流動(dòng)加速，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q熱出現(xiàn)局部惡化現(xiàn)象。

實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)中啟動(dòng)、變工況等均為非穩(wěn)態(tài)條件，對(duì)于超臨界碳?xì)淙剂系姆欠€(wěn)態(tài)流動(dòng)、換熱特性研究非常必要。特別地，與超臨界壓水堆（SCWRs）類(lèi)似，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中也可能出現(xiàn)加熱通道內(nèi)流體的流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，產(chǎn)生壓力波動(dòng)，從而導(dǎo)致應(yīng)力而帶來(lái)安全隱患。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于超臨界流體的流動(dòng)不穩(wěn)定性開(kāi)展了一定的研究。Hitch等[10-11]實(shí)驗(yàn)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(shí)容易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)浮升力所帶來(lái)的傳熱惡化時(shí)，對(duì)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(dòng)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(shí)域法數(shù)值研究了超臨界水在加熱管道中流動(dòng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，給出了穩(wěn)定性邊界。

但是，對(duì)于超臨界碳?xì)淙剂系牧鲃?dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究還很少。本文對(duì)超臨界壓力碳?xì)淙剂显诜欠€(wěn)態(tài)加熱條件下的響應(yīng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)測(cè)量

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Supercritical single tube apparatus

圖3 實(shí)驗(yàn)段示意圖Fig.3 Test section

如圖2，燃料首先儲(chǔ)存在油箱1內(nèi)，經(jīng)由過(guò)濾器去除可能存在的雜質(zhì)，進(jìn)入高壓柱塞泵加壓流出。燃料進(jìn)入穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，并經(jīng)流量計(jì)測(cè)量流量后，進(jìn)入管路。之后燃料流經(jīng)回?zé)崞鞅活A(yù)熱，回收一部分出口高溫燃料的熱量，進(jìn)入保護(hù)柜管路。保護(hù)柜在實(shí)驗(yàn)時(shí)封閉，達(dá)到防火的作用。保護(hù)柜中設(shè)置了預(yù)熱段和實(shí)驗(yàn)段，均在兩端加有銅電極，通以交流電進(jìn)行加熱。預(yù)熱段和實(shí)驗(yàn)段管路外均包裹較厚的保溫材料予以絕熱。燃料經(jīng)預(yù)熱段預(yù)熱后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，實(shí)驗(yàn)段外壁沿管長(zhǎng)方向均勻焊置熱電偶以測(cè)量外壁溫度，另有壓力、壓差、流體溫度測(cè)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(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。流出實(shí)驗(yàn)段后，燃料流經(jīng)回?zé)崞鲗崃炕厥找徊糠钟靡约訜徇M(jìn)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(guò)濾器過(guò)濾、背壓閥降壓后，進(jìn)入油氣分離器分離成液相和氣相。液體收集后用氣質(zhì)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(jiàn)文獻(xiàn)[18-19]。

1.2 參數(shù)測(cè)量與儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)需要測(cè)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(shuō)明。

（1）溫度

溫度測(cè)量包括流體溫度測(cè)量和壁溫測(cè)量。

流體溫度測(cè)量采用K型Ⅰ級(jí)鎧裝熱電偶，壁溫測(cè)量采用OMEGA的K型Ⅰ級(jí)熱電偶，0～400℃測(cè)量誤差為±1.6℃，400～1000℃誤差為0.4%。

（2）壓力

包括壓力測(cè)量和壓差測(cè)量。

壓力測(cè)量采用壓力變送器EJA430A，量程0～16 MPa，誤差±0.075%；壓差測(cè)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(cè)量采用西門(mén)子MASS 2100 DI 1.5科氏力質(zhì)量流量計(jì)，量程0～20 kg·h-1，誤差±0.1%。

（4）電壓與電流

電壓測(cè)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(cè)量采用DM7510型鉗式萬(wàn)用表。誤差為±(讀數(shù)×1.0%+5×直徑)。

其他儀器細(xì)節(jié)可見(jiàn)文獻(xiàn)[18-19]。

1.3 實(shí)驗(yàn)段

實(shí)驗(yàn)段如圖3所示。實(shí)驗(yàn)段電極間總長(zhǎng)為930 mm，從電極中部計(jì)。沿管長(zhǎng)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(duì)熱電偶產(chǎn)生干擾。流動(dòng)方向?yàn)樨Q直向下流動(dòng)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正常流動(dòng)與換熱情形

工質(zhì)為超臨界壓力正癸烷。對(duì)實(shí)驗(yàn)段在t=0時(shí)刻施加階躍電壓，一段時(shí)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(yīng)如圖4所示。

流體溫度基本呈現(xiàn)一階響應(yīng)。進(jìn)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(dòng)外，基本保持恒定。在初始突然施加熱流時(shí)，由于流體溫度突增，導(dǎo)致流體密度下降，流動(dòng)加速，壓力有短時(shí)間小幅升高；一段時(shí)間后撤去熱流時(shí)同理產(chǎn)生小幅壓力下降。加熱電壓越高，流體溫度達(dá)到基本平衡所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。

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(shí)驗(yàn)，加熱熱流分別為133.7 kW·m-2和140.9 kW·m-2，瞬態(tài)響應(yīng)如圖5所示。

在133.7 kW·m-2時(shí)，流動(dòng)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(shí)，一段時(shí)間后，將出現(xiàn)壓力的波動(dòng)，這將導(dǎo)致流量呈相反的趨勢(shì)波動(dòng)，從而出現(xiàn)流體溫度的波動(dòng)。

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

文獻(xiàn)[20]給出量綱1數(shù)NTPC和NSUBPC來(lái)判定振蕩現(xiàn)象的發(fā)生與否，并給出了對(duì)于某幾何形狀的超臨界水的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，如圖6所示。其中Zr是一個(gè)量綱1阻尼因子，Zr<0時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定；Zr>0時(shí)，流動(dòng)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(yīng)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(shí)為B工況，計(jì)算量綱 1數(shù)NTPC和NSUBPC并標(biāo)在穩(wěn)定域圖中，如圖6所示。結(jié)果表明：超臨界壓力碳?xì)淙剂系呐R界工況與超臨界水有顯著差別，超臨界壓力碳?xì)淙剂系腪r=0應(yīng)介于點(diǎn)A和B之間。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)正癸烷在不同加熱條件下的瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，得到以下主要結(jié)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(shí)，超臨界壓力碳?xì)淙剂系某隹诹黧w溫度將產(chǎn)生一階響應(yīng)。

（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(shí)間后發(fā)生振蕩現(xiàn)象。進(jìn)口壓力波動(dòng)將導(dǎo)致流量的波動(dòng)，從而使得出口流體溫度產(chǎn)生波動(dòng)。超臨界碳?xì)淙剂系呐R界工況和超臨界水有顯著差別。對(duì)此還需要進(jìn)一步的深入研究。

符號(hào)說(shuō)明

A——圓管截面積，m2

cp——比定壓熱容，J·kg-1·K-1

G——質(zhì)量流量，kg·h-1

h——比焓，J·kg-1

L——通道長(zhǎng)度，m

NSUBPC——亞準(zhǔn)臨界數(shù)

NTPC——跨準(zhǔn)臨界數(shù)

p——壓力，MPa

Tf——流體溫度，℃

t——時(shí)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(zhǎng)，m

ρ——密度，kg·m-3

下角標(biāo)

in——入口

pc——壓力所對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)臨界溫度下

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