超臨界壓力碳氫燃料瞬態(tài)加熱響應(yīng)特性

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(xué)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(shù)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(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(yù)熱，回收了一部分的熱量，燃燒效果也會更好；再者，燃料被預(yù)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(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(dǎo)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(nèi)流體的流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，產(chǎn)生壓力波動，從而導(dǎo)致應(yīng)力而帶來安全隱患。國內(nèi)外學(xué)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(yīng)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(nèi)，經(jīng)由過濾器去除可能存在的雜質(zhì)，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?zé)崞鞅活A(yù)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(shè)置了預(yù)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(yù)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(yù)熱段預(yù)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?zé)崞鲗崃炕厥找徊糠钟靡约訜徇M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(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。具體可見文獻[18-19]。

1.2 參數(shù)測量與儀器設(shè)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(zhì)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(jié)果及分析

2.1 正常流動與換熱情形

工質(zhì)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(yīng)如圖4所示。

流體溫度基本呈現(xiàn)一階響應(yīng)。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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(jié)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(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時為B工況，計算量綱 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(yīng)介于點A和B之間。

3 結(jié) 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(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，超臨界壓力碳氫燃料的出口流體溫度將產(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，一段時間后發(fā)生振蕩現(xiàn)象。進口壓力波動將導(dǎo)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(zhì)量流量，kg·h-1

h——比焓，J·kg-1

L——通道長度，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(biāo)

in——入口

pc——壓力所對應(yīng)的準(zhǔn)臨界溫度下

[1] He Wusheng (賀武生). Review of researches on scramjet [J].Journal of Rocket Propulsion(火箭推進), 2005, 31(1)：29-32.

[2] Edwards T. Cracking and deposition behavior of supercritical hydrocarbon aviation fuels [J].Combustion Science and Technology,2006, 178(1)：307-334.

[3] Liang Huosheng (梁獲勝), Gao Wei (高偉), Xu Quanhong (許全宏),Xu Guoqiang (徐國強). Injection characteristics of supercritical aviation kerosene sprayed into atmosphere [J].Journal of Aerospace Power(航空動力學(xué)報), 2009,24(6)：1258-1263.

[4] Liao Chuanhua (廖傳華), Zhou Yongjun(周勇軍). Supercritical Fluid Technology and Process Intensification(超臨界流體技術(shù)及其過程強化)[M]. Beijing：China Petroleum Press, 2007.

[5] Zhong Fengquan (仲峰泉), Fan Xuejun (范學(xué)軍), Wang Jing (王晶).Cracking characteristics of supercritical aviation kerosene//Proceedings of the 1st Hypersonic Technology Conference [C].Lijiang, China：The Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics, 2008：185-191.

[6] Hou Lingyun, Dong Ning, Sun Dapeng. Heat transfer and thermal cracking behavior of hydrocarbon fuel [J].Fuel, 2013, 103：1132-1137.

[7] Zhu Kun (朱錕), Deng Hongwu (鄧宏武), Wang Yingjie (王英杰),Xu Guoqiang (徐國強). Review and experimental investigation on coking of supercritical kerosene [J].Journal of Aerospace Power(航空動力學(xué)報), 2010, 25(11)：2472-2478.

[8] Pidaparti Sandeep R, Umrigar Eric, McFarland Jacob, Ranjan Devesh,Anderson Mark. Effect of buoyancy on heat transfer characteristics of supercritical carbon dioxide in the heating mode//11th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference [C]. Atlanta, GA ：AIAA- 2014-3359.

[9] He S, Jiang Peixue, XuYijun, Shi Runfu, Kim W S, Jackson J D. A computational study of convection heat transfer to CO2at supercritical pressures in a vertical mini tube [J].International Journal of Thermal Sciences, 2005, 44(6)：521-530.

[10] Hitch Brad, Karpuk Michael. Experimental investigation of heat transfer and flow instabilities in supercritical fuels//33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit [C]. Seattle, WA, U.S.A.：AIAA-97-3043.

[11] Hitch Brad, Karpuk Michael. Enhancement of heat transfer and elimination of flow oscillations in supercritical fuels//34th Joint Propulsion Conference and Exhibit [C]. Cleveland, OH, U.S.A.：AIAA-98-3759.

[12] Ambrosini W, Sharabi M. Dimensionless parameters in stability analysis of heated channels with fluids at supercritical pressures [J].Nuclear Engineering and Design, 2008, 238(8)：1917-1929.

[13] Sharabi M, Ambrosini W, He S, Jiang Peixue, Zhao Chenru. Transient three-dimensional stability analysis of supercritical water reactor rod bundle subchannels by a computatonal fluid dynamics code [J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2009, 131(2)：022903.

[14] Ambrosini W. On the analogies in the dynamic behaviour of heated channels with boiling and supercritical fluids [J].Nuclear Engineering and Design, 2007, 237(11)：1164-1174.

[15] Ambrosini W. Discussion on the stability of heated channels with different fluids at supercritical pressures [J].Nuclear Engineering and Design, 2009, 239(12) ：2952-2963.

[16] Hou Dong, Liu Pengfei, Lin Meng, Yang Yanhua. The flow stability analysis of supercritical fluid in heated pipes：frequency domain analysis [J].Journal of Shanghai Jiaotong University, 2012 46(4)：520-523.

[17] Hou Dong, Liu Pengfei, Lin Meng, Yang Yanhua. The flow stability analysis of supercritical fluid in heated pipes：time domain analysis[J].Journal of Shanghai Jiaotong University, 2012 46(4)：524-529.

[18] Liu Bo (劉波), Wang Xi (王夕), Zhu Yinhai(祝銀海), Jiang Peixue(姜培學(xué)). Experimental investigation of convection heat transfer ofn-decane at supercritical pressures in a micro/mini vertical tube [J].Journal of Engineering Thermophysics(工程熱物理學(xué)報), 2014,35(1)：114-118.

[19] Zhu Yinhai, Liu Bo, Jiang Peixue. Experimental and numerical investigations onn-decane thermal cracking at supercritical pressures in a vertical tube [J].Energy& Fuels, 2014, 28(1)：466-474.

[20] Ambrosini W, Sharabi M. Dimensionless parameters in stability analysis of heated channels with fluids at supercritical pressures [J].Nuclear Engineering and Design, 2007, 238(8)：1917-1929.