高温高压环境下RP-3航空煤油单液滴的加热与蒸发特性研究

RP-3航空煤油是当前国内最常用的商用喷气燃料,煤油液滴在航空发动机燃烧室中的蒸发直接影响燃料的雾化效果、空燃混合气的形成和燃烧质量。本文以单个RP-3航空煤油液滴为研究对象,选取正十二烷、2,5-二甲基己烷、甲苯作为替代燃料,提出了一个考虑自然对流效应的高温高压环境下多组分液滴蒸发模型。利用自主搭建的试验装置得到了环境压力为1MPa、环境温度为473~673K下RP-3煤油单液滴在蒸发过程中的液滴直径变化。模型预测结果与试验结果的对比验证了模型的准确性。通过模型预测了不同环境参数下三组分替代物液滴直径、内部温度分布、各组分质量分数分布和液滴寿命等参数的瞬态变化,定量分析了不同高温条件下环境压力对单液滴蒸发特性的影响。结果表明,液相内部的传热传质会影响多组分液滴的蒸发速率,且液相扩散阻力造成了液相内部组分质量分数与温度空间分布的不均匀性。环境压力对RP-3煤油液滴蒸发寿命的影响随环境温度的变化而变化。当环境温度低于正十二烷的临界温度(658.25K)时,液滴寿命与环境压力的关系不是单调的,液滴寿命随环境压力的增加先增后减;而当环境温度超过658.25K时,液滴寿命随环境压力的升高而单调减小。这是因为在高温高压环境中,环境压力的升高能显著增大自然对流传热传质强度,而自然对流超过一定强度时,能明显促进液滴蒸发。上述研究有利于认识液滴内部组分扩散过程,从源头上为未来高性能低污染发动机的优化设计提供依据与参考。

RP-3航油火焰三维温度场和碳烟浓度场测量

RP-3航空煤油是航空发动机的常用燃料之一,火焰温度及碳烟浓度分布作为反映燃烧状态最直接的参数,是燃料优化配比的重要数据支撑。针对三维测量中,重建路径计算的准确性受相机位姿影响的问题,提出了一种将三维辐射成像法与相机立体标定技术相结合的测量方法。数值模拟结果表明,所提方法可以在提供较高的空间分辨率的同时保证测量结果的可靠性。利用标定后的六相机测量系统,对RP-3、空气预混火焰进行了实验测量,获得了其三维温度及碳烟浓度分布。测量的空间分辨率为1 mm×1 mm×1 mm,重建与热电偶测量温差的标准不确定度为0.58 K,证明了测量方法的精确性。

气态/超临界态RP-3航空煤油喷嘴内部流动可视化研究

为研究气态/超临界态RP-3航空煤油在喷嘴内部的流动特性,自主设计了模拟喷嘴内部收缩通道的透明试验件,通过阴影法对气态/超临界态RP-3在喷嘴内部的流动过程开展可视化研究,并采用一维流动分析方法对观测结果进行了分析。试验首次获得气态/超临界态RP-3航空煤油在喷嘴内部的流动结构可视化图像,图像透明区域的形状随着燃油在收缩通道中膨胀而引起的密度变化而改变。结果表明,喷射压力和喷射温度对燃油在喷嘴内部流动特性有显著影响,燃油密度在不同喷射压力和喷射温度工况下沿轴向及径向的变化趋势存在明显差异,因而在可视化图像上展现出不同大小或形状的透明区域。轴向上,燃油密度变化在喷口处最为剧烈,该变化趋势随着喷射温度的降低、喷射压力的升高而增大。径向上,受温度边界层的影响,燃油密度变化在喷嘴壁面处最为剧烈,该变化趋势随着喷射温度的降低而减小;近临界喷射温度下,亚临界喷射温度工况的透明区域沿轴向呈均匀状,超临界喷射温度工况的透明区域沿轴向呈收缩状。

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。

吸热型碳氢燃料在银、镧改性ZSM-5分子筛上的裂解研究

为提高吸热型碳氢燃料的吸热能效 ,对HZSM 5分子筛进行了La3 + 、Ag+ 离子交换改性 ,考察了吸热型碳氢燃料NNJ 15 0在HZSM 5及改性ZSM 5分子筛催化剂上的裂解情况。结果表明 ,La3 + 、Ag+ 离子交换改性催化剂提高了NNJ 15 0的裂解气中低碳烯烃的选择性 (5 0 0℃ ,81 6 3%) ,并且改性催化剂和未改性催化剂的活性在 35min内均未随进样时间下降 ,转化率也未降低 (5 0 0℃ ,HZSM 5 ,6 4 6 2 %;LaZSM 5 ,6 5 71%;AgZSM 5 ,6 8 75 %)。实验结果表明 ,双金属离子改性可为今后研究的方向。

单个RP-3航空煤油液滴的超临界蒸发实验研究

目前以航空发动机为背景的针对液态碳氢燃料的超临界蒸发研究很少,鉴于未来高性能航空发动机的研制需求,选取国产RP-3航空煤油为研究对象,对液滴的超临界蒸发进行了研究。分析了蒸发过程中不同环境参数下液滴无量纲直径的平方随时间的变化规律,实验结果表明超临界蒸发与常规亚临界蒸发特性存在很大的差异;根据实验结果绘制了液滴蒸发时间随环境参数变化的曲线图,并分析了蒸发过程中不稳定度的变化规律,发现在不同的温度范围内环境压力对液滴蒸发时间的影响规律是截然不同的,同时不稳定度Bi随环境温度及压力的升高而增大;对不同工况下液滴的瞬态蒸发常数以及平均蒸发常数进行了定量计算,分析认为影响液滴蒸发常数的两个主要因素是环境温度和环境压力,且后者占主导地位。

吸热型碳氢燃料冷却模拟系统的建立

介绍了一套自行设计的燃料冷却模拟系统，该装置适用于模拟研究各种吸热型碳氢燃料在飞行器上不同冷却模式下的冷却特性， 为燃料将来在飞行器上的工程应用提供实验依据。仪器空白漏热标定结果表明其稳定性良好。在此装置上研究了吸热燃料在两种压力下的冷却情况， 实验发现在通燃料后， 反应管温度下降最低可达９０．６℃， 冷却效果较好； 随着外部热环境的变化， 反应管不同部位的吸热情况发生复杂变化， 尾部出现结焦； 燃料热沉测量值与文献值接近。

吸热型碳氢燃料的结焦研究(Ⅰ)测焦装置及结焦抑制剂

建立了一套脉冲微型反应色谱系统 ,用以研究吸热型碳氢燃料结焦性能和结焦抑制剂效果。以正庚烷为裂解原料 ,在所研究的四种结焦抑制剂中 ,首次发现噻吩效果最好 ,加入质量分数为 1× 10 - 3 的噻吩可以抑制92 %的结焦。该系统具有设备简单、停留时间短、操作方便、参数容易变更的特点 ,所测定的数据合理 ,重复性好 ,适于快速评价结焦抑制剂。

液滴初始温度对RP-3航空煤油超临界蒸发特性的影响

以超临界环境中RP-3航空煤油的悬停液滴为研究对象,实验研究了其在超临界温度下的蒸发特性受液滴初始温度的影响.通过分析不同初始温度下液滴的无量纲直径的平方、瞬态蒸发常数、液滴寿命和热膨胀率等参数的变化规律后发现,较高初始温度的液滴主要通过缩短初始加热时间来提高蒸发效率,当液滴初始温度从293.8,K升高至373.1,K时,3种不同环境压力下的液滴蒸发时间分别降低了31.55%,、32.25%,和34.73%,.此外,还发现液滴的初始温度越高,其出现超临界散射光斑时的液滴直径越大,出现时间越早.

高密度燃料HDF-1与橡胶的相容性研究

报道了在室温和70℃下橡胶材料G402氟硅胶、丁腈胶5171、丁腈胶4170、贮囊橡胶用合成的高密度燃料HDF 1浸泡后性能如伸长率、邵尔硬度、重量、面积体积的变化,并与采用3号喷气燃料(RP 3)实验结果进行对照。用红外光谱测定了燃料浸泡前后橡胶组成的变化。实验结果表明,G402氟硅胶和贮囊对于HDF 1和RP 3有相近的相容性,丁腈胶5171对HDF 1的相容性比对RP 3的相容性稍差,丁腈胶4170对HDF 1的相容性比对RP 3的相容性更差的结果。因此,丁腈胶5171和丁腈胶4170不能用于HDF 1储存和输送,原使用RP 3系统的橡胶密封件不能直接使用HDF 1。

压力对航空煤油RP-3结焦的影响

实验研究航空煤油RP-3在流动状态下的结焦分布情况,并分析了压力对于氧化结焦的影响.实验中采用恒定热流的方式将流经长2 m的单通道不锈钢管(Ф2.2×0.2,1Cr18N i9Ti)中的航空煤油由127℃加热到427℃,质量流量4 g/s,并利用"称重法"获得RP-3结焦数据.通过改变系统压力3,4,5,6,7MPa,研究了压力对RP-3壁面结焦速率的影响规律.实验结果表明,压力的提高,对管壁的结焦有一定的抑制作用,结焦峰值位置也有沿实验段往下游移动的趋势,不同压力情况下的管壁结焦速率分布曲线的形状大致相当.

煤油单滴在相对静止和强迫对流环境下的蒸发规律

采用悬滴法对普通煤油和航空煤油两种液体燃料的单液滴在高温相对静止及强迫对流环境下的蒸发规律进行了实验研究,得到70余组有效实验数据.在本文条件下,对流可促进燃料液滴的蒸发,且对流速度越大,液滴蒸发速率越大;对流环境下普通煤油和航空煤油的蒸发规律存在差异,且同等条件下普通煤油的蒸发速率大于航空煤油.传统"折膜"理论蒸发模型与实验结果相比存在一定偏差;综合相对静止及对流环境的厚交换层蒸发规律研究,提出新的规律,并用实验结果检验.

进口雷诺数影响RP-3结焦特性实验研究

实验研究了RP-3沿流向结焦分布规律以及进口质量流量对其产生的影响。实验将RP-3加压至5Mpa,使用2.1 m长不锈钢管(1.8 mm I.D.、2.2 mm O.D.、1Cr18Ni9Ti)中将流经其中的RP-3从127℃等热流加温至427℃.在定质量流量前提下,改变进口质量流量0.39、0.78、1.17和1.56 g/(s·mm^2),研究了进口雷诺数对结焦规律的影响.实验结果表明:随着质量流量的增加,RP-3结焦峰值位置逐渐向后推移;管壁平均结焦速率受与进口雷诺数的0.89次方成正比关系;单位质量RP-3结焦生成量随进口雷诺数的增加先减少后增加.

混配型吸热碳氢燃料热裂解及催化裂解

为提高吸热型碳氢燃料的吸热能效,将辅助燃料Y按不同比例与碳氢燃料混合,配制成新的混配型YNNJ-150燃料,利用连续流吸热型碳氢燃料裂解微型反应色谱评价装置,考察了它的热裂解转化率和低碳烯烃的选择性,并在HZSM-5分子筛上进行了催化裂解评价。结果表明混配型YNNJ-150燃料不仅降低了裂解温度,同时提高了燃料裂解的低碳烯烃的选择性,增加了燃料的吸热能力,且混合辅助燃料Y的比例为15％时的混配燃料Y_cNNJ-150的效果最好。混配型燃料可成为今后研究的一个重要方向。

用不同化学反应模型对煤油超声速燃烧的数值分析

采用单步不可逆有限速率化学反应模型,同时结合离散液滴模型、概率密度函数紊流燃烧模型的混合分数平衡化学反应模型,对煤油在双模态燃烧室内的燃烧进行了数值分析。通过比较数值计算结果与实验结果,说明计算所采用的模型是有效的。在给定的计算条件下,与单步不可逆有限速率化学反应模型相比,结合了离散液滴模型的混合分数化学反应模型更能准确地预测煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧,并且集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽火焰稳定器增强了燃料的混合和燃烧,使燃烧效率在燃烧室出口达0.880 6。

RP-3航空煤油的亚/超临界密度实测和计算方法研究

为了逐步改善高性能空天动力装置研究中液态碳氢燃料物性数据缺乏的现状,设计了一种气动活塞式的密度测量装置,对压力和温度范围分别为1.2~4.0MPa和293~673K的常用液态碳氢燃料——RP-3航空煤油的密度进行了实验测量,并分析了其密度随温度和压力的变化规律。此外,基于PR状态方程进行了真实流体的密度计算,并结合已有的正癸烷（C10H22）密度实验数据对计算过程进行了修正。通过将采用修正后的方法计算出的RP-3航空煤油的密度值与实验测量值进行对比,发现计算值比实验值稍低,尤其在低温阶段和临界点附近。分析认为,这主要是由于此计算方法用于混合物计算时的局限性造成的。

表面钝化对超临界航空煤油静态结焦特性影响

通过静态装置,研究了不锈钢经表面磷化、酸洗钝化以及电解钝化后对超临界压力下航空煤油RP-3热氧化结焦的抑制效果,并对表面钝化层的耐久性做出评估.研究发现,不锈钢的钝化膜层有效地降低不锈钢表面催化活性,按结焦抑制效果排序为:电解钝化>酸洗钝化>磷化;化学稳定性好、耐蚀性强的钝化膜层会延长材料的使用寿命,按钝化膜耐蚀性排序为:电解钝化>酸洗钝化>磷化;综合结焦抑制效果及化学稳定性两个因素考虑,电解钝化为最佳表面钝化方案,但其在高温高腐蚀的煤油环境下长时间实验时易失去钝化效用.

基于显式函数和神经网络的喷气燃料混合模型的研究及应用

针对喷气燃料复杂的理化性质,采取显式函数和人工神经网络相结合的策略,以氢碳比、黏度和蒸馏曲线等作为目标性质,发展了喷气燃料代用组分的构建方法,对混合燃料的理化性质具有很好的预测精度.并将此混合模型应用于煤基喷气燃料的代用组分构建,所获得的代用组分模型与真实燃料之间的理化性质差异符合模拟要求.

用形状因子对应态原理预测液化天然气密度

应用形状因子法对应态原理预测了液化天然气 ( L NG)密度。选用甲烷作为参考流体 ,采用了精确的甲烷状态方程和两元交互作用系数 ,并将理论计算结果与实验结果进行了比较 ,取得较好结果 ,满足了 L NG密度的高精度计算要求 ,同时也是形状因子法对应态原理在低温液体混合物热物性计算中的成功应用之一。

RP-3和RP-5煤油对飞机动力装置和燃油系统试飞的影响

RP-3号航空煤油是军用飞机和民航客机最为常用的燃料,但是舰载飞机通常使用RP-5号航空煤油,RP-5号煤油突出特点是密度大、闪点高。此外,两种燃油在成分、黏度、饱和蒸气压、比热容、导电率等方面有诸多差异。这些差异会对飞机重心、燃油系统通气增压、供油流动损失、燃烧热值等造成影响,分析这些影响对飞机试飞具有重要的价值。