陳妮妮，程 想，張永久，潘 輝，畢勤成*

(1.中國(guó)人民解放軍96901部隊(duì)，北京 100094；2.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049)

0 引言

隨著高超聲速飛行器飛行速度越來(lái)越快，其發(fā)動(dòng)機(jī)所面臨的熱防護(hù)問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，這也成為了制約高超聲速飛行器進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。再生主動(dòng)冷卻技術(shù)作為主動(dòng)熱防護(hù)技術(shù)之一，被認(rèn)為是解決這一問(wèn)題的有效途徑。再生主動(dòng)冷卻技術(shù)是指以飛行器自身攜帶的燃料作為冷卻劑，流經(jīng)分布在發(fā)動(dòng)機(jī)表面的微小通道進(jìn)行對(duì)流換熱來(lái)帶走發(fā)動(dòng)機(jī)多余熱載荷的技術(shù)。再生主動(dòng)冷卻防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示，燃料流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)壁面微型槽道，通過(guò)低溫燃料帶走發(fā)動(dòng)機(jī)壁面的過(guò)高熱載荷，從而起到熱防護(hù)的作用，起到冷卻劑作用的燃料再噴射進(jìn)入冷卻室燃燒。在這一流動(dòng)換熱過(guò)程中，燃料在通道內(nèi)流動(dòng)的壓降與流量并不是單調(diào)關(guān)系，燃料溫度接近擬臨界溫度或裂解溫度時(shí)，冷卻通道壓降隨流量的減小而增大，一個(gè)壓降可能對(duì)應(yīng)不同的流量。在可壓縮容積與壓降特性曲線多值性的作用下，冷卻通道內(nèi)會(huì)發(fā)生動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性。

目前，對(duì)于動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性的研究大多以水和有機(jī)制冷劑為工質(zhì)，以碳?xì)淙剂蠟楣べ|(zhì)的相關(guān)研究較少。然而，碳?xì)淙剂狭鲃?dòng)特性與水存在較大差異，以碳?xì)淙剂蟁P-3為例，當(dāng)溫度高于600 ℃，碳?xì)淙剂蠈⒘呀獬尚》肿硬荒詺怏w，將對(duì)碳?xì)淙剂狭鲃?dòng)特性產(chǎn)生顯著影響。因此，碳?xì)淙剂蟿?dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性還需要大量研究。在目前已發(fā)表的文獻(xiàn)中，ZHOU等研究了上游存在可壓縮容器的加熱管道內(nèi)正癸烷在臨界溫度區(qū)與裂解溫度區(qū)流動(dòng)不穩(wěn)性，建立了0維均相數(shù)學(xué)模型，通過(guò)小偏差線性化原理與勞斯判據(jù)分析流動(dòng)不穩(wěn)定性，得出流動(dòng)不穩(wěn)定性的影響因素。WANG等介紹了平板多通道結(jié)構(gòu)內(nèi)流體流動(dòng)密度波不穩(wěn)定性，其結(jié)果表明壓力波動(dòng)的周期與流體流過(guò)通道的時(shí)間接近，作者斷定發(fā)生了密度波不穩(wěn)定性，波動(dòng)周期與通道結(jié)構(gòu)和壓力無(wú)關(guān)只與流體在通道內(nèi)停留時(shí)間有關(guān)。GUO等研究了碳?xì)淙剂显趦?nèi)徑為1 mm和 2 mm的管道內(nèi)壓降多值性，分析了熱流密度，壓力和管徑對(duì)多值性曲線的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳?xì)淙剂蠅航刀嘀敌郧€為5次曲線，兩個(gè)負(fù)斜率區(qū)分別對(duì)應(yīng)擬沸騰過(guò)程和裂解反應(yīng)過(guò)程。熱流密度對(duì)壓降多值性影響不大，相同的壓力下，壓降最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的出口溫度相同，不同熱流下壓降多值性曲線形狀相似，多值性曲線主要受流體溫度和質(zhì)量流速的影響。隨著壓力的增加，壓降多值性曲線變平緩。但在3 MPa超臨界壓力下，依然可觀測(cè)到兩個(gè)負(fù)斜率區(qū)，壓力進(jìn)一步增大，擬臨界點(diǎn)處物性變化平緩，由擬沸騰導(dǎo)致的負(fù)斜率區(qū)將消失，只存在由裂解產(chǎn)生的負(fù)斜率區(qū)。大管徑通道內(nèi)壓力變化尺度比小管徑更大，為了減小和避免壓降多值性，作者建議主動(dòng)冷卻通道采用小管徑通道。YANG等研究了超臨界環(huán)己烷在內(nèi)徑為2 mm的水平管道內(nèi)流動(dòng)壓降多值性，推導(dǎo)了超臨界壓力下壓降與流量之間三次方關(guān)系式。實(shí)驗(yàn)研究了壓力，入口溫度和熱流密度對(duì)壓降多值性的影響。隨著壓力和入口溫度升高以及熱流密度降低，壓降負(fù)斜率區(qū)變平緩，因?yàn)閴毫ι?，流體密度變化變小，入口溫度增加和熱流密度降低導(dǎo)致流體和壁面溫差減小，徑向密度梯度減小，最后通過(guò)無(wú)量綱參數(shù)擬合出負(fù)斜率區(qū)起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)區(qū)間。YANG等研究了超臨界環(huán)己烷在內(nèi)徑為1～2 mm，長(zhǎng)度為0.20～0.79 m的管道內(nèi)不穩(wěn)定性起始點(diǎn)，壓降多值性曲線的最低點(diǎn)被認(rèn)為是不穩(wěn)定性的起始點(diǎn)，分析了管道長(zhǎng)度和內(nèi)徑對(duì)不穩(wěn)定性起始點(diǎn)的影響。管道長(zhǎng)度增大會(huì)使壓降多值性曲線負(fù)斜率區(qū)更加陡峭，并且長(zhǎng)度增加，不穩(wěn)定性起始點(diǎn)的出口溫度也在增加。管道內(nèi)徑減小，壓降多值性曲線的負(fù)斜率區(qū)更加陡峭，但不同管徑下，不穩(wěn)定性起始點(diǎn)的出口溫度基本相同，管徑越小，不穩(wěn)定性起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量越小。最后，通過(guò)無(wú)量綱分析提出新的關(guān)聯(lián)式。

總的來(lái)說(shuō)，動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性的研究大部分以水和有機(jī)制冷劑為工質(zhì)，碳?xì)淙剂蟿?dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性的研究較少，特別是高溫高熱流密度下的流動(dòng)不穩(wěn)定性，較少有人展開(kāi)機(jī)理和特性的研究。

為了探究實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)再生冷卻技術(shù)工況下的燃料流動(dòng)不穩(wěn)定性，本文根據(jù)圖1所示的主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)，通過(guò)電加熱的方式，實(shí)驗(yàn)研究了吸熱型碳?xì)淙剂显谒焦艿纼?nèi)的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性機(jī)理，給出了典型工況下壓力降不穩(wěn)定性和密度波不穩(wěn)定性的基本特性。

圖1 主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of active cooling structure

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)工況

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

吸熱型碳?xì)淙剂蟿?dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。本研究所用碳?xì)淙剂蠟镽P-3，燃料從燃料箱中流出后經(jīng)過(guò)過(guò)濾器進(jìn)入恒流泵，恒流泵出口流量恒定，與系統(tǒng)壓力無(wú)關(guān)。在恒流泵出口處接有緩沖罐，公稱容積0.63 L，最高耐壓20 MPa。緩沖罐與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接處裝有球閥，不需要緩沖罐時(shí)可關(guān)閉球閥。緩沖罐內(nèi)有氣囊，氣囊通過(guò)單向閥和減壓閥與高壓氮?dú)馄窟B接，氣囊內(nèi)氮?dú)獾膲毫赏ㄟ^(guò)充填和排放氮?dú)饪刂啤?chǔ)油罐內(nèi)的燃料經(jīng)由恒流泵泵出，流入質(zhì)量流量計(jì)和實(shí)驗(yàn)段，實(shí)驗(yàn)段為6 mm×1 mm不銹鋼管，長(zhǎng)1.4 m，加熱長(zhǎng)度1.3 m，實(shí)驗(yàn)件表面上下兩側(cè)布置有20對(duì)熱電偶，實(shí)驗(yàn)件尺寸和具體的熱電偶分布如圖3所示。實(shí)驗(yàn)件出口處有鎧裝熱電偶和引壓管，測(cè)量燃料溫度和實(shí)驗(yàn)段出口的壓力，實(shí)驗(yàn)件壓差通過(guò)RoseMount 3051壓差變送器測(cè)量。高溫燃料經(jīng)過(guò)銅燒結(jié)濾芯過(guò)濾器后進(jìn)入冷卻器，冷卻到常溫的燃料經(jīng)過(guò)背壓閥調(diào)節(jié)壓力后進(jìn)入廢液箱予以回收。從緩沖罐下游到背壓閥間管路產(chǎn)生的壓降通過(guò)另一臺(tái)RoseMount 3051壓差變送器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本研究所涉及的壓力均為絕對(duì)壓力。緩沖罐內(nèi)充氣壓力比系統(tǒng)壓力低時(shí)，緩沖罐可為系統(tǒng)提供可壓縮容積；充氣壓力比系統(tǒng)壓力高時(shí)，則緩沖罐內(nèi)氣囊相當(dāng)于剛體，無(wú)法被壓縮。

1-Fuel tank;2-Filter;3-Constant flow pump;4-Ball valve;5-Buffer tank;6-Check valve;7-Pressure gauge;8-Pressure relief valve;9-High-pressure nitrogen tank;10-Mass flowmeter (m);11-Inlet valve;12-Electrode;13-Test section;14-Differential pressure transmitter (dpt);15-Outlet orifice plate;16-Sheathed thermocouple (Tout);17-Pressure transmitter (pout);18-High-temperature filter;19-Condenser;20-Differential pressure transmitter(dps);21-Back pressure valve;22-Waste tank

1～20-The specific location of the thermocouples圖3 熱電偶分布示意圖Fig.3 Distribution of thermocouples

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)前在系統(tǒng)為常壓的狀態(tài)下，打開(kāi)緩沖罐與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接處球閥，向緩沖罐內(nèi)填充氮?dú)庵猎O(shè)定壓力，然后打開(kāi)恒流泵向系統(tǒng)供入燃料，給實(shí)驗(yàn)段加熱并保持實(shí)驗(yàn)段熱流密度恒定，調(diào)節(jié)恒流泵供給流量，用NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下每個(gè)流量下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓力，實(shí)驗(yàn)段壓差，實(shí)驗(yàn)段出口燃料溫度和實(shí)驗(yàn)段壁溫的波動(dòng)，采集頻率為20 Hz。當(dāng)實(shí)驗(yàn)段出口處燃料溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)停止并更換實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

本文實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)段出口壓力=1.5 MPa，緩沖罐壓力=0.5 MPa?？紤]到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可推廣性，熱流密度設(shè)置為250 kW/m，針對(duì)壓力降不穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)以泵輸出流量=3.90 g/s時(shí)為例，針對(duì)密度波不穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)以泵輸出流量=2.69 g/s時(shí)為例，在監(jiān)測(cè)各參數(shù)開(kāi)始穩(wěn)定周期性波動(dòng)后，選取180 s作為數(shù)據(jù)采集時(shí)間，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。

1.3 不確定度分析

本實(shí)驗(yàn)中壓力采用RoseMount 3051壓力變送器測(cè)量，變送器將壓力轉(zhuǎn)換為4～20 mA的無(wú)源電流信號(hào)，再由IMP 35951C數(shù)據(jù)采集板轉(zhuǎn)換并輸送至工控機(jī)。3051壓力變送器的精度為0.065%，量程為6 MPa，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的最小壓力為1.5 MPa，IMP采集板的精度為0.02%，則壓力測(cè)量最大相對(duì)不確定度為

(1)

實(shí)驗(yàn)件外壁溫和流體溫度均采用K型熱電偶測(cè)量，熱電偶精度為0.5 ℃，IMP采集板的精度為0.3 ℃，則溫度測(cè)量最大相對(duì)不確定度為0.8 ℃。本實(shí)驗(yàn)測(cè)得最小溫度為50 ℃，則溫度測(cè)量的最大相對(duì)不確定度為

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力降不穩(wěn)定性機(jī)理

如圖4所示，在恒定熱流密度下，加熱段內(nèi)壓降與流量呈現(xiàn)出多值性關(guān)系，同一壓降可能會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)流量，若不考慮碳?xì)淙剂显诟邷叵铝呀猱a(chǎn)氣對(duì)壓降的影響，壓降與流量呈現(xiàn)三次曲線關(guān)系。當(dāng)流量較大時(shí)，加熱段內(nèi)燃料狀態(tài)全為單相或超臨界壓力下的類(lèi)液相，加熱段內(nèi)壓降與流量呈平方關(guān)系，壓降隨流量的增大而增大；隨著進(jìn)入加熱段內(nèi)流量的減小，加熱段靠近出口處開(kāi)始出現(xiàn)氣液兩相或超臨界壓力下的近臨界狀態(tài)，由于氣液兩相或近臨界狀態(tài)的摩擦阻力系數(shù)比較大，隨著燃料流量的降低，氣液兩相或近臨界狀態(tài)所占的長(zhǎng)度在增大，摩擦阻力隨著流量的下降而增大。當(dāng)流量進(jìn)一步下降時(shí)，加熱段出口狀態(tài)為氣態(tài)或超臨界壓力下的類(lèi)氣態(tài)，氣態(tài)或類(lèi)氣態(tài)的摩擦阻力系數(shù)將大幅度降低，并且隨著流量的下降，氣態(tài)所占的長(zhǎng)度在增大，兩相區(qū)的長(zhǎng)度在減小，加熱段壓降隨流量的減小而降低，因此加熱段內(nèi)壓降與流量呈三次曲線關(guān)系。當(dāng)出口溫度達(dá)到550 ℃時(shí)，碳?xì)淙剂祥_(kāi)始裂解成小分子，加熱段的壓降將隨流量下降而增大，壓降與流量呈現(xiàn)出五次曲線關(guān)系。由于在高溫小流量下發(fā)生流量波動(dòng)十分危險(xiǎn)，并且高溫下易結(jié)焦，結(jié)焦會(huì)改變實(shí)驗(yàn)件壓降特性。因此，本研究主要集中在非裂解區(qū)。

圖4 碳?xì)淙剂蠅航堤匦郧€Fig.4 Pressure drop characteristic curve of hydrocarbon fuel

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在多值性曲線負(fù)斜率段時(shí)，若系統(tǒng)受到擾動(dòng)使進(jìn)入加熱段的流量略微增大，根據(jù)多值性曲線，此時(shí)加熱段壓降和入口壓力將減小，緩沖罐內(nèi)氣囊將膨脹，緩沖罐內(nèi)燃料被擠出，進(jìn)入加熱段內(nèi)燃料流量將進(jìn)一步增大，壓降進(jìn)一步減小，直至到達(dá)點(diǎn)。在點(diǎn)處，泵輸出流量比進(jìn)入加熱段的流量小，系統(tǒng)無(wú)法在此處穩(wěn)定運(yùn)行，隨著緩沖罐內(nèi)燃料的排出，緩沖罐氣囊的壓力和加熱段入口的壓力也在持續(xù)減小，導(dǎo)致緩沖罐無(wú)法進(jìn)一步補(bǔ)充流量缺口時(shí)，系統(tǒng)將運(yùn)行到點(diǎn)，在點(diǎn)進(jìn)入加熱段的流量比泵輸出流量小，大量的燃料被擠入緩沖罐內(nèi)，緩沖罐氣囊的壓力和加熱段入口的壓力將逐漸增大，系統(tǒng)由點(diǎn)運(yùn)行到點(diǎn)，在點(diǎn)進(jìn)入加熱段內(nèi)的流量依然比泵輸出流量小，緩沖罐和加熱段入口壓力將進(jìn)一步升高，系統(tǒng)將運(yùn)行到點(diǎn)，點(diǎn)進(jìn)入加熱段內(nèi)流量急劇增大，緩沖罐氣囊膨脹排出燃料，壓力減小，系統(tǒng)由點(diǎn)運(yùn)行到點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)將不停地進(jìn)行→→→→這種循環(huán)。上述分析的是在負(fù)斜率區(qū)流量受擾動(dòng)而增大時(shí)系統(tǒng)的變化，在負(fù)斜率區(qū)流量受擾動(dòng)而減小時(shí)系統(tǒng)的變化與此類(lèi)似，系統(tǒng)將運(yùn)行至點(diǎn)，進(jìn)行→→→→循環(huán)。由此可發(fā)現(xiàn)，在負(fù)斜率區(qū)無(wú)論流量受擾動(dòng)而增大或者受擾動(dòng)而減小，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)都會(huì)繞多值性曲線負(fù)斜率段做順時(shí)針循環(huán)。值得注意的是圖4中所示點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)和點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)并不按圖中所示的虛線進(jìn)行，此過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，各參數(shù)的變化比較復(fù)雜，與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。此循環(huán)流量和壓力波動(dòng)幅度較大，周期較長(zhǎng)，由壓降特性曲線多值性引起，被稱為壓力降不穩(wěn)定性。引起這種現(xiàn)象的主要原因是單相流和兩相流區(qū)域流體擾動(dòng)的傳播速度不同。

2.2 密度波不穩(wěn)定性機(jī)理

當(dāng)系統(tǒng)在多值性曲線小流量正斜率區(qū)段運(yùn)行時(shí)，此狀態(tài)下加熱段內(nèi)燃料經(jīng)歷了液相(類(lèi)液相)、氣液兩相(近臨界狀態(tài))和氣相(類(lèi)氣相)。雖然此狀態(tài)處于壓降特性曲線的正斜率區(qū)，但加熱段內(nèi)燃料經(jīng)歷的狀態(tài)較多，密度變化較大，入口處流量發(fā)生微小擾動(dòng)時(shí)，高密度與低密度的燃料交替流過(guò)加熱段，要等到流體質(zhì)點(diǎn)到達(dá)加熱段出口時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓力才能對(duì)流量的變化做出響應(yīng)，加熱段出口處壓力的變化將以聲速傳播到加熱段入口的緩沖罐處，流量與壓力之間的反饋會(huì)存在延遲，系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)和反饋不如段快。系統(tǒng)流量和壓力將會(huì)小幅度周期性波動(dòng)，燃料密度的變化是造成不穩(wěn)定性的主要原因，這種波動(dòng)被稱為密度波不穩(wěn)定性。在本文實(shí)驗(yàn)中，密度波不穩(wěn)定性的周期約為流體質(zhì)點(diǎn)在加熱通道內(nèi)停留時(shí)間的2倍，比壓力降不穩(wěn)定性周期短，同時(shí)流量和壓力的波動(dòng)幅度比壓力降不穩(wěn)定性小。密度波型脈動(dòng)產(chǎn)生的原因是高密度與低密度的兩相混合物交替流過(guò)加熱段，壓力與流量的反饋導(dǎo)致了進(jìn)口流量的自維持脈動(dòng)。

2.3 壓力降不穩(wěn)定性的基本特性

選取實(shí)驗(yàn)件出口壓力1.5 MPa，緩沖罐初始充氣壓力0.5 MPa，熱流密度250 kW/m的工況對(duì)壓力降不穩(wěn)定性的基本特性進(jìn)行分析。以泵輸出流量為 3.90 g/s時(shí)為例，加熱段入口燃料流量，出口壓力，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓降d，加熱段壓降d和出口燃料溫度隨時(shí)間的變化如圖5所示，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為180 s。加熱段入口流量發(fā)生了有規(guī)律的周期性變化，波動(dòng)范圍為3.14～4.40 g/s，經(jīng)計(jì)算流量變化周期為22.37 s。加熱段出口壓力在1.43～1.62 MPa范圍內(nèi)波動(dòng)，變化周期與流量的變化周期相同，但相位相反，當(dāng)流量達(dá)到最大值時(shí)，出口壓力為最小值。加熱段出口壓力加上加熱段壓降即為加熱段入口壓力，加熱段壓降很小，只有5～15 kPa，相比加熱段出口壓力可忽略不計(jì)。因此，加熱段出口壓力與加熱段入口壓力相差不大。當(dāng)加熱段入口壓力增大時(shí)，會(huì)將燃料擠入緩沖罐內(nèi)，造成進(jìn)入加熱段內(nèi)燃料流量減??；當(dāng)加熱段入口壓力減小時(shí)，緩沖罐內(nèi)燃料會(huì)被排出，造成進(jìn)入加熱段內(nèi)燃料流量增大，由此產(chǎn)生了加熱段入口流量和出口壓力變化反相的規(guī)律。加熱段壓降d的變化也與流量的變化反相，因?yàn)榇藸顟B(tài)處于壓降特性曲線的負(fù)斜率區(qū)，流量增大，則壓降減小。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓降d的變化也與流量變化反相，但系統(tǒng)壓降出現(xiàn)了2個(gè)峰值，第1個(gè)峰值發(fā)生在流量的最低點(diǎn)處，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行至壓降特性曲線負(fù)斜率區(qū)的最高點(diǎn)；隨著流量的增大，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓降出現(xiàn)了第2個(gè)峰值，這是由流量不穩(wěn)定造成。系統(tǒng)運(yùn)行至壓降特性曲線負(fù)斜率區(qū)最高點(diǎn)處流量發(fā)生漂移，流量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)增大造成系統(tǒng)壓降增大，從流量隨時(shí)間的變化曲線中也可看出，系統(tǒng)壓降第2峰值處流量隨時(shí)間的變化梯度最大。加熱段出口燃料溫度在314.4～402.4 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)幅度接近90 ℃，在加熱功率不變的條件下，燃料流量減小會(huì)造成加熱段出口燃料焓值增加。因此，加熱段出口燃料溫度的變化與加熱段入口燃料流量的變化反相。

圖5 壓力降不穩(wěn)定過(guò)程中各參數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.5 Changes of various parameters with time during the instability of pressure drop

在燃料流量和系統(tǒng)壓力波動(dòng)的過(guò)程中，加熱段壁溫也在波動(dòng)，在此工況下第2、3、8、9、17和18號(hào)熱電偶所測(cè)得加熱段壁溫隨時(shí)間的變化，如圖6所示。熱電偶所處的位置己在圖3中給出，2和3號(hào)熱電偶距入口極板20 cm，2號(hào)位于實(shí)驗(yàn)件底部，3號(hào)位于實(shí)驗(yàn)件頂部。8和9號(hào)熱電偶距入口極板60 cm,8號(hào)位于底部，9號(hào)位于頂部。17和18號(hào)熱電偶距入口極板120 cm，17號(hào)位于底部，18號(hào)位于頂部。這6組熱電偶分別代表了實(shí)驗(yàn)件入口段，中部和出口段上下壁溫隨時(shí)間的變化。從圖6中可看出，2、3、8和9號(hào)熱電偶在310～340 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，由于浮升力作用，實(shí)驗(yàn)件頂部壁溫比底部壁溫高15～20 ℃,實(shí)驗(yàn)用燃料RP-3在1.5 MPa壓力下沸點(diǎn)約為300 ℃，這4個(gè)熱電偶處均處于沸騰換熱區(qū)間，實(shí)驗(yàn)件壁溫與燃料飽和溫度有關(guān)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)壓力的波動(dòng)將導(dǎo)致燃料飽和溫度波動(dòng)。因此，實(shí)驗(yàn)段入口段和中部壁溫的變化與系統(tǒng)壓力的變化同步。在靠近實(shí)驗(yàn)件出口處，此處燃料處于氣體狀態(tài)，換熱能力較差，壁溫相對(duì)于入口段和中部有了顯著上升，實(shí)驗(yàn)件底部溫度在500～550 ℃之間波動(dòng)，實(shí)驗(yàn)件頂部溫度比底部溫度高約50 ℃。實(shí)驗(yàn)件出口段燃料為過(guò)熱狀態(tài)，壁溫受壓力影響較小，主要受燃料流量的影響，此處壁溫與燃料流量變化同步，相位相反。

圖6 壓力降不穩(wěn)定過(guò)程中壁溫隨時(shí)間的變化Fig.6 Changes of wall temperature with time during the instability of pressure drop

2.4 密度波不穩(wěn)定性的基本特性

在出口壓力1.5 MPa，緩沖罐初始充氣壓力0.5 MPa，熱流密度250 kW/m的工況下，當(dāng)泵輸出流量降至2.69 g/s時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)生密度波不穩(wěn)定性，各參數(shù)隨時(shí)間的變化如圖7所示。

圖7 密度波不穩(wěn)定過(guò)程中各參數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.7 Changes of various parameters with time during the instability of density wave

此工況下，密度波不穩(wěn)定性的周期為5.81 s，流量的波動(dòng)幅度為0.67 g/s，流量達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)了一些小波動(dòng)。分析發(fā)現(xiàn)，這些小波是因?yàn)槊芏炔ú环€(wěn)定性過(guò)程中出現(xiàn)了一些小循環(huán)。出口壓力的變化幅度為0.137 MPa，變化方向與流量變化方向相反，壓力的波動(dòng)使燃料流入或流出緩沖罐造成了流量的波動(dòng)。雖然此運(yùn)行狀態(tài)處于壓降特性曲線的正斜率區(qū)，但實(shí)驗(yàn)段壓降與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓降的變化依然與流量的變化反相，因?yàn)榇诉\(yùn)行狀態(tài)為非穩(wěn)態(tài)，流量與壓降之間存在著延遲與反饋，流量波動(dòng)導(dǎo)致的壓力變化要等到流體質(zhì)點(diǎn)到達(dá)實(shí)驗(yàn)件出口才能體現(xiàn)出來(lái)。然而，DING等認(rèn)為密度波不穩(wěn)定性中流量和壓力的波動(dòng)是同相。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓降的波動(dòng)范圍為54 kPa，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓降達(dá)到最低值時(shí)出現(xiàn)了小波動(dòng)，壓降與流量的峰值之間依然存在時(shí)間間隔，但比壓力降不穩(wěn)定性過(guò)程中的時(shí)間間隔短。與圖5對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，密度波不穩(wěn)定性過(guò)程中無(wú)論是流量的波動(dòng)還是壓降的波動(dòng)，波動(dòng)幅度都比壓力降不穩(wěn)定性過(guò)程中小，但波動(dòng)周期短，頻率高。出口溫度在377.8～472.8 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)幅度達(dá)95 ℃，超過(guò)了壓力降不穩(wěn)定性過(guò)程中出口溫度的波動(dòng)幅度，因?yàn)榇藭r(shí)實(shí)驗(yàn)件出口處燃料己經(jīng)氣化，比熱容大幅度減小，焓值的微小變化將導(dǎo)致出口溫度大幅度變化。

在實(shí)驗(yàn)件入口段，中部和出口段分別選取了兩組熱電偶，密度波不穩(wěn)定性過(guò)程中，這些熱電偶所測(cè)壁溫如圖8所示。其中，3、9和18號(hào)熱電偶測(cè)量實(shí)驗(yàn)件頂部壁溫，2、8和17號(hào)熱電偶測(cè)量實(shí)驗(yàn)件底部壁溫。從圖8中可看出，2、3、8和9號(hào)熱電偶所在點(diǎn)的壁溫在310～360 ℃范圍內(nèi)，此處燃料在進(jìn)行沸騰換熱，實(shí)驗(yàn)件頂部壁溫比底部高，且波動(dòng)幅度比底部大。17和18號(hào)熱電偶處于過(guò)熱區(qū)，上下壁溫差接近50 ℃，相對(duì)于壓力降不穩(wěn)定性，密度波不穩(wěn)定性中壁溫波動(dòng)周期短，幅度小。

圖8 密度波不穩(wěn)定過(guò)程中壁溫隨時(shí)間的變化Fig.8 Changes of wall temperature with time during the instability of density wave

3 結(jié)論

(1)壓力降不穩(wěn)定性發(fā)生在壓降特性曲線的負(fù)斜率區(qū)，流量受到擾動(dòng)后無(wú)法回到原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)繞壓降特性曲線負(fù)斜率區(qū)順時(shí)針?lè)较蜓h(huán)，是加熱通道與入口可壓縮容積之間動(dòng)態(tài)相互作用的結(jié)果。

(2)密度波不穩(wěn)定性發(fā)生在壓降特性曲線小流量下的正斜率區(qū)，由流量與壓降之間反饋延遲造成。

(3)壓力降不穩(wěn)定性中流量、壓力和溫度波動(dòng)幅度大，周期較長(zhǎng)，通常為15～50 s。

(4)密度波不穩(wěn)定性流量和壓力波動(dòng)幅度比壓力降不穩(wěn)定性小，在本文實(shí)驗(yàn)中，其周期約為流體質(zhì)點(diǎn)在管道內(nèi)停留時(shí)間的2倍，通常小于10 s。但密度波不穩(wěn)定性發(fā)生在小流量、高溫條件下，出口燃料溫度波動(dòng)幅度接近甚至超過(guò)壓力降不穩(wěn)定性，其危害不亞于壓力降不穩(wěn)定性。