超临界碳氢燃料流动不稳定的频域分析与数值模拟

再生冷却通道中的流动失稳是高超声速飞行器发动机热防护技术中的核心问题之一。为研究超临界碳氢燃料在冷却通道中的流动不稳定特性,基于有限体积法及流体物性近似,发展了高效的一维瞬态模拟方法;同时,基于小扰动假设,进一步提出了用于预测稳定行为的频域分析方法。通过相关实验,验证了模型的可靠性。基于时域和频域方法的综合分析,沿内特征曲线讨论了主要失稳类型,重点分析了受密度波及Ledinegg不稳定共同影响的复合不稳定性。随后,进一步分析了工作压力和入口温度对稳定特性的耦合影响,并基于N_(tpc)-N_(spc)空间划分了稳定区域。研究发现,复合不稳定、Ledinegg不稳定以及密度波不稳定,随入口温度升高而相继消失。Ledinegg不稳定及密度波不稳定的稳定边界在N_(tpc)-N_(spc)空间具有高度相似性,而复合不稳定性的区域在较高的压力下略有缩小。

STS304管表面“氧化+结焦”处理对碳氢燃料热解结焦的抑制作用

采用氧化或结焦方式对STS304内表面进行预处理,得到反应管O-STS304、C-STS304、OC-STS304,将其与STS304和TA管开展SEM/AFM表面形貌、表面元素XPS和导热系数等参数测试.结焦引入碳层增加了STS304内表面的粗糙度以及导热热阻,但一定程度抑制了催化结焦,同时提高了管材耐温性.采用MCH热解结焦实验发现,氧化和结焦预处理对热解影响很小,结焦处理可以显著降低催化反应管的结焦速率,5种管材的结焦速率排序为STS304>O-STS304>OC-STS304>TA>C-STS304.因此,对镍基催化反应管进行结焦预处理可以有效抑制结焦.

高密度碳氢燃料JP-10流动换热及热裂解结焦实验研究

基于再生冷却技术研究背景,在热通量100~2000 kW/m^(2)、常压~6 MPa条件下,于Ф4 mm×1 mm高温合金钢圆管内开展了高密度吸热型碳氢燃料JP-10的流动换热特性和热裂解结焦特性实验研究。研究表明,压力2MPa下,1204.6 kW/m^(2)是煤油发生偏离核态沸腾的临界热通量。亚/超临界压力下JP-10部分流动换热区域可划分如下:入口效应区、强制对流换热区、(拟)过冷沸腾区、(拟)饱和沸腾区等。流体温度是主导燃料结焦的主要因素。压力2、4、6 MPa下,燃料结焦起始点流体温度分别为679、652、643℃。壁面温度在高结焦反应发生后对结焦量产生同步影响。压力升高,燃料管内结焦加剧,高温燃料在管道内停留时间增加是主要原因。

吸热型碳氢燃料退化的多因素影响研究进展

针对吸热型碳氢燃料在冷却飞行器时发生氧化退化和裂解退化的问题,探讨了影响吸热型碳氢燃料退化的多个因素。综合分析了金属壁面温度、燃料压力和接触壁面材料等因素对燃料退化性能的影响。研究发现,金属壁面温度对燃料的退化具有重要的影响,其和燃料温度均会影响燃料的氧化速率和结焦物产生的位置;金属壁面的材料对燃料退化具有催化作用,结焦物中金属硫化物的存在验证了硫元素对燃料的退化具有促进作用。

基于层次分析法的吸热碳氢燃料评估指标体系设计

为综合评价吸热碳氢燃料的整体性能,对吸热碳氢燃料研制、生产、使用、测试、贮存等各个环节的指标进行了有序整合,构建了吸热碳氢燃料评估指标体系。通过对吸热碳氢燃料的性能指标进行梳理和分类,根据层次分析法思想建立三级递阶层次结构模型,采用主观赋值法和一致性检验方法构建和筛选符合运算逻辑的判断矩阵,通过求解判断矩阵得到各指标权重值,对各指标的重要度进行了排序,并形成了评估指标体系的应用方法。研究结果将吸热碳氢燃料在各个环节中涉及的百余项评价指标“点”汇聚整合成为一套完整的评估体系“面”,为吸热碳氢燃料整体性能的评价提供了有效的方法,初步实现了吸热碳氢燃料综合性能定性评估到半定量评估的跨越,对新型吸热碳氢燃料的评价和发展具有重要应用价值。

纯氢/混氢碳氢燃料喷嘴技术综述

在民用飞机日益普及的时代,大气中飞机尾气排放对环境的污染问题日益凸显,发动机碳排放需要进一步降低,而氢能的使用为实现零碳排放提供了可能。介绍了氢气与不同碳氢燃料特性,阐述了氢作为航空发动机和燃气轮机燃料的优势,以及纯氢/混氢燃料在主燃烧室设计中带来的诸多挑战。基于氢气及航空煤油等碳氢燃料的基础特性,以纯氢气及以混氢燃料喷嘴技术为研究对象,总结和讨论了氢燃料在航空发动机、燃气轮机中的应用及喷嘴设计技术。同时,考虑氢燃料的加入对燃烧稳定、排放和火焰传播速度的影响,阐述了氢燃料喷嘴发展的关键技术,包括氢燃烧组织及喷嘴设计、低NOX排放氢燃烧、氢燃烧防回火和氢燃烧不稳定抑制等技术,为氢燃料航空发动机燃烧室喷嘴设计提供了新思路。

超临界碳氢燃料在圆/矩形管内流动传热数值研究

针对火箭发动机的再生循环冷却过程,研究了超临界压力下碳氢燃料在圆形和矩形冷却通道内的流动和传热特性。采用RNGk-ε湍流模型结合增强壁面处理方法,通过数值模拟分析了在非对称受热(上壁面加热)情况下流体的速度场、温度场,考察了由传热恶化和热传导共同作用引起的热流异常传递,并得到了两种冷却通道内流体的速度、温度、对流换热系数以及Nusselt数的变化规律。结果发现,近壁面流体率先达到拟临界温度,流体物性参数剧烈变化出现零速度梯度区,导致了传热恶化和“M”形速度等值线;超临界压力下,在z> 280 mm后圆形冷却通道的冷却效果优于矩形。

碘量紫外分光光度法测定碳氢燃料过氧化值

建立测定碳氢燃料过氧化值的碘量紫外分光光度法。样品溶于乙醇中,加入0.50mL冰乙酸,用饱和碘化钾-乙醇溶液定容至10mL,避光显色90min,过氧化物在酸性条件下与碘化钾反应生成黄色的I3-,在360nm处测定吸光度,计算过氧化氢的含量。过氧化氢的质量浓度在0.1061~1.061μg/mL范围内与吸光度线性关系良好,相关系数为0.9998,方法检出限为0.015μg/mL。样品加标回收率为97.3%~103.6%,测定结果的相对标准偏差小于5%(n=6)。该法适用于测定碳氢燃料的过氧化值。

光催化CO_(2)还原制碳氢燃料系统优化策略研究

光催化CO_(2)还原制碳氢燃料技术由太阳能直接驱动,将CO_(2)转化为可直接利用的化学品,是助力碳达峰、碳中和的变革性技术。该技术的高效、低成本运行受光吸收利用、光催化剂形貌结构、界面催化反应及传质等因素影响,其内部能质传输是多时空尺度、多物理场耦合的复杂过程,需要从理论和应用两方面结合多个学科展开系统研究。梳理了光催化CO_(2)还原基本理论及国内外研究进展,并针对技术瓶颈从光吸收拓展与利用、光生载流子分离强化、氧化/还原半反应优化及传质强化四个优化策略指出了该技术发展方向,探讨了该技术全流程能量传递和物质转化之间的耦合匹配准则,为降低反应能耗、促进性能及产率提升甚至未来工业化大规模太阳能驱动CO_(2)还原应用铺垫道路。

碳氢燃料固体氧化物燃料电池的多场耦合模型与热应力分析

为研究以碳氢化合物为燃料的镍基阳极固体氧化物燃料电池(SOFC)中复杂的多物理场传递过程,以某实际生产的SOFC为原型,基于有限元法分别建立了顺流和逆流两种不同进气方式的多物理场三维模型.分析了典型工况下电极化学反应、多组分传质、传热过程的耦合特性,并给出了热应力分布.结果表明,SOFC的温度分布趋势受工作电压的影响较大,且同电压下逆流方式电池内的最大温差低于顺流方式;气体流向配置会影响SOFC内部化学反应速率,且顺流时反应速率分布得更为均匀;甲烷裂解反应受到抑制,最大反应速率仅为9.97×10-^(4)mol/(m^(3)·s),积碳活性远远小于1;从电解质层到阴极层,会发生应力突变,应力值从32 MPa骤升至294 MPa.

一种高密度碳氢燃料替代模型及其热物性分析

针对一种应用于高超声速飞行器再生冷却的高密度碳氢燃料,提出适用于其超临界态流动及换热特性研究的替代燃料模型。基于实验获得的碳氢燃料高温裂解的产物组分及现有航空煤油替代模型,提出三组分替代模型,以多物性参数分子摩尔质量、密度、运动黏度、比热容和导热系数为遴选指标,通过多目标优化寻出一种替代燃料模型(71.1%反式十氢化萘、19.4%正十二烷、9.5%正十三烷)。基于碳氢化合物的混合热物性参数数据库(NIST SUPERTRAPP),通过二次开发对替代燃料模型的超临界态热物性进行预测和分析,发现在临界压力2.8MPa,临界温度700K附近,该种碳氢燃料的热物性参数变化最明显,并且随着压力的升高,变化逐渐变小。

含硼碳氢燃料在超燃冲压发动机中的燃烧试验研究

为提高碳氢燃料的能量密度,针对在高密度液体碳氢燃料中添加纳米硼颗粒的燃料方案,在超燃冲压发动机试验台上开展了点火燃烧性能试验验证。试验当量比为0.56~0.94,评估了硼颗粒添加对燃料喷注特性、比冲性能和固相沉积的影响。基于本文所用液体碳氢燃料,添加质量分数16%的硼颗粒可使超燃冲压发动机燃烧室平均密度比冲提升6.05%;硼颗粒添加会造成明显的壁面固相沉积问题,干扰压力测量系统获得有效数据。本试验初步评估了含硼碳氢燃料典型方案的喷注特性,获得了硼颗粒添加对燃料性能提升的定量结果。

煤基纳米碳氢燃料技术研发与应用

为积极落实国家“双碳”目标,国能准能集团立足能源资源禀赋和产业优势,通过科技创新,以煤炭清洁化燃烧和高值化利用为方向,在世界上首次研制出煤基纳米碳氢燃料。介绍了煤基纳米碳氢燃料的特性,阐述了国能准能集团在该燃料应用领域的创新研发和工业化探索,并归纳总结了取得的主要研发成果。煤基纳米碳氢燃料用于发电可有效节煤,替代柴油生产铵油炸药可降低炸药成本、提高炸药性能,替代水煤浆用于煤气化可提高煤气有效组分和气化产率。认为,煤基纳米碳氢燃料的创新研发将进一步提升煤炭附加值,引领煤炭行业绿色低碳发展。

超燃冲压发动机碳氢燃料再生冷却流动传热研究与分析

碳氢燃料是高超声速飞行器的冷却原料。近些年,它在冷却内壁的流动特征研究中是焦点。从冷却过道内界面几何形状与端口流速、亚临界/超临界压力、加热方法与燃油温度、换热关联式这四大层面阐述了碳氢燃料流动传热特征。从碳氢燃料运用情况、并联通道流量配置误差与压抑、变工况模式下碳氢燃料导热不平稳压抑模式等三大层面简介了碳氢燃料再生类冷却技术情况。并且,对当前碳氢燃料传热特征与再生类冷却科技实施剖析。

纳米碳氢燃料燃烧及NOx排放特性研究

纳米碳氢燃料是由煤、水和少量添加剂经纳米化处理工艺制成的一种颗粒粒度为纳米级、具有较高表面活性的液态煤基特种燃料。本研究通过单液滴燃烧装置、雾化燃烧实验对纳米碳氢燃料和常规水煤浆的燃烧特性进行了研究,考察了着火温度、雾化燃烧特性的区别。结果表明:纳米碳氢燃料1000℃和800℃着火点分别降低了47.6℃和74.4℃,着火延迟时间较常规水煤浆缩短。纳米碳氢燃料燃烧过程的沿程O_(2)浓度比常规水煤浆的要低3%~-6%,燃尽率比常规水煤浆高20%左右。炉内沿程NOx浓度先逐渐增长,达到峰值后再稍有降低;纳米碳氢燃料归一化NOx排放比常规水煤浆更低。

煤基吸热型碳氢燃料热裂解动力学及产物分布

为了研究煤基吸热型碳氢燃料在高温下的热裂解转化规律,通过静态热裂解实验探讨了燃料在450~490℃的条件下的气体产率和裂解反应动力学,利用气相色谱(GC)和气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)分析了气体和液体产物组成分布。结果表明,煤基碳氢燃料的热裂解起始温度高,结焦倾向低,热裂解稳定性强。气体产物包括氢气、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和丁烯;液体产物长链烷烃裂解为短链烷烃,环烷烃转化为萘、苯、茚等芳香族化合物。热裂解动力学反应符合一级动力学方程,燃料热裂解速率常数为2.83×10^(-5)~1.54×10^(-4)s^(-1),活化能Ea=205.561±2.3 kJ·mol^(-1),指前因子lnA=23.69±2.0。

吸热型碳氢燃料的量热研究

对不同结构组成的吸热型碳氢燃料在不同工作温度下的热沉进行了测定和研究，并在此基础上，研制开发了一种性能较好的ＮＪ－１５０碳氢燃料，并测定了其有关的理化性质和热沉，实验结果表明ＮＪ－１５０是一种很有发展前途的吸热型碳氢燃料。

高密度液体碳氢燃料合成及应用进展

介绍了高密度碳氢燃料合成及应用的最新进展。从原料、合成路线、性能特征、成本等方面评价了各种高密度碳氢燃料的优缺点和应用前景。分析了高密度碳氢燃料合成与应用的共性特征,提出燃料分子设计与定向合成、燃料复配等急需解决的问题,提出了下一步工作的重点。

改善吸热型碳氢燃料热管理能力的研究进展

综述了国内外在吸热型碳氢燃料热稳定性能以及催化研究领域的主要工作进展,并分析了它们对燃料物理和化学吸热能力提高的贡献,认为利用添加剂提高燃料吸热能力具有较大的研究价值。

吸热型碳氢燃料裂解催化剂结焦研究

建立了一套可以同时进行吸热型碳氢燃料催化裂解研究和催化剂结焦评价的装置。选用SAPO 34、HZSM 5以及USY型不同孔径的分子筛催化剂对自行研制的吸热型碳氢燃料S 1进行催化裂解反应 ,采用注氧烧焦的方法考察了改变反应温度、反应时间等实验条件对催化剂结焦性能的影响 ,结果发现 ,当温度达到 70 0℃时 ,三种催化剂都有最大的结焦量 ,而USY型分子筛高达 5 5μL/mg。同时还考察了作为结焦母体的小分子烯烃在裂解产物中的分布与催化剂结焦的关系 ,对燃料S 1在三种分子筛上裂解结焦的规律有了初步的了解 ,从而为筛选适用于吸热型碳氢燃料催化裂解的催化剂提供了有力的依据。