阅读说明：本技术 一种再生冷却通道内水油混合物流动与传热特性模拟装置 (Simulation device for flow and heat transfer characteristics of water-oil mixture in regenerative cooling channel ) 是由 刘朝阳 贾东鹏 潘余 王宁 马磊 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种再生冷却通道内水油混合物流动与传热特性模拟装置,属于流动与传热特性模拟领域。本发明由贮罐、过滤器、恒流泵、流量计、三通、预热段、四通、二级加热段、冷却装置、过滤器、背压阀、煤油回收装置、气液分离器、湿式气体流量计、气体收集装置、液体收集装置、测控计算机、数据采集装置、温度传感器、壁温传感器、压强传感器、高压气源组成。实现精确输入工质,分段混合、加热并对产物进行分离和收集的功能,能够模拟超燃冲压发动机冷却通道内煤油与水混合物的混合与裂解。解决了获得超燃冲压发动机冷却通道内煤油与水混合物的流动与传热特性的问题。具有使用方便,工作稳定,工况准确,安全性好等优点。(The invention relates to a device for simulating the flow and heat transfer characteristics of a water-oil mixture in a regenerative cooling channel, belonging to the field of flow and heat transfer characteristic simulation. The invention is composed of a storage tank, a filter, a constant flow pump, a flowmeter, a tee joint, a preheating section, a cross joint, a secondary heating section, a cooling device, a filter, a back pressure valve, a kerosene recovery device, a gas-liquid separator, a wet gas flowmeter, a gas collecting device, a liquid collecting device, a measuring and controlling computer, a data collecting device, a temperature sensor, a wall temperature sensor, a pressure sensor and a high-pressure gas source. The functions of accurately inputting working media, mixing in sections, heating, separating and collecting products are realized, and the mixing and cracking of the kerosene and water mixture in the cooling channel of the scramjet engine can be simulated. The problem of obtaining the flow and heat transfer characteristics of the mixture of kerosene and water in the cooling channel of the scramjet engine is solved. The device has the advantages of convenience in use, stable work, accurate working condition, good safety and the like.)

一种再生冷却通道内水油混合物流动与传热特性模拟装置

技术领域

本发明涉及一种再生冷却通道内水油混合物流动与传热特性模拟装置，属于流动与传热特性模拟领域。

背景技术

超燃冲压发动机再生冷却通道内的煤油在吸收大量热量后温度逐渐升高，当温度超过500℃时，煤油发生热裂解。热裂解能够带来提高燃料热沉、增强混合效果、以及提高燃烧性能等诸多好处，但是随之产生的结焦积碳现象会阻塞冷却通道，影响发动机性能，威胁飞行安全。水蒸气催化重整能够在一定程度上缓解结焦积碳问题，且能够有效增加燃料的吸热能力。然而，由于煤油与水难以互溶，在实验室条件下研究两者混合物的流动与传热特性仍然面临着极大的困难。

目前对于水油混合物的研究，主要在静态容器中进行。通过在固定的容器同时或分批加入燃料和水，将其加压加热，以研究其混合后的产物特性。这种方式虽然简单方便，但是与超燃冲压发动机的实际工作状态相距甚远。而且再生冷却通道内的燃料是在不断流动的，以静态的特性来说明动态的问题显然也不够合适。此外，尽管静态容器内反应后的裂解产物便于分析处理，但静态容器内难以研究压降特性、热声不稳定特性和传热特性等常用特性。

也有少数研究者在煤油和水中加入一定比例的乳化剂后搅拌至乳化状态，将其通入不锈钢管路中以研究其流动和传热特性。然而乳化燃料保存时间非常有限，且乳化剂在冷却通道内吸热后的特性尚不明确，这极大的制约了其应用范围。要实现在超燃冲压发动机冷却通道内添加水以降低结焦量的效果，预先的地面实验必须将水和煤油分别供应才能更加接近于发动机的工作状态，且要保证供应系统的稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种再生冷却通道内水油混合物流动与传热特性模拟装置，该装置以恒定体积流量抽取水和煤油，将其混合加热并对产物进行收集，用以可靠、稳定、便捷、长时间的模拟超燃冲压发动机冷却通道内煤油与水混合物的流动与传热特性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种再生冷却通道内水油混合物流动与传热特性模拟装置，所述模拟装置包括：水油供应系统、两级加热系统、冷却回收系统、裂解产物采集系统、数据采集系统、高压气源；

所述水油供应系统包括两组液体供应装置，分别用于供应水和煤油；每套液体供应装置由管道依次连接贮罐、过滤器、恒流泵和流量计，两种液体经三通混合后流入两级加热系统；

所述两级加热系统包括用于预热混合流体的预热段和完成液体升温的二级加热段，两段加热管路均使用热电偶进行加热；

所述冷却回收系统包括用于冷却裂解产物的冷却装置和煤油回收装置；

所述裂解产物采集系统包括气液分离器、湿式气体流量计、液体收集装置和气体收集装置；

所述数据采集系统中计算机通过数据采集装置连接位于两个四通处的温度传感器和压强传感器，以及位于二级加热段的壁温传感器，对流体的温度、压强和壁面的温度进行采集分析，采集的数据于计算机中进行汇总；

所述高压气源中装有氮气的高压气瓶通过管路接入水油供应系统与两级加热系统之间，方便进行实验后的吹除；

所述模拟装置的各系统之间和各组件之间均使用管路相连，管路尺寸由具体试验工况决定。

作为优化地，在水油供应系统中使用两台相同恒流泵分别供应水和煤油，以保证供应的稳定性和流量的准确性。

作为优化地，在冷却回收系统中的冷却装置设置两级水箱，以保证冷却水水位稳定，增强冷却系统的冷却能力。

作为优化地，在冷却回收系统中设置过滤装置，清除实验中产生的焦炭微粒，避免堵塞试验管路。

作为优化地，在冷却回收系统中设置背压阀，阻止产物回流，确保实验安全。

作为优化地，两级加热系统均使用热电偶进行加热，并在加热位置后设置四通，连接温度传感器和压强传感器。

作为优化地，设置高压气瓶用于进行试验设备的吹除，在每次试验后清除管路中的残余物质，避免其干扰下一次实验。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

(1)模拟效果好。与静态反应容器比，更加接近于再生冷却通道内工质的流动的状态；与乳化煤油相比，更能满足超燃冲压发动机的应用。

(2)研究范围广。仅需要更换传感器，即可研究再生冷却通道内的压降、传热、裂解、以及热声不稳定特性。

(3)工作时间长。采用高压恒流泵作为供应系统，且水和煤油不需要经过任何处理，能够维持更长的工作时间。

(4)供应状态稳定。高压恒流泵泵入流体的流量基本维持恒定，有效保证试验过程中水和煤油供应的稳定性。

(5)拓展能力强。实验设备可以方便的更换连接管路并调节试验参数，以适应模拟不同工况的需要。

附图说明

图1为实验系统示意图。

附图标号说明：

1-水油供应系统

11、15-贮罐，12、16-过滤器，13、17-恒流泵，14、18-流量计，19-三通；

2-两级加热系统

21-预热段，22-四通一，23-二级加热段，24四通二

3-冷却回收系统

31-冷却装置，32-过滤器，33-背压阀，34-煤油回收装置

4-裂解产物采集系统

41-气液分离器，42-湿式气体流量计，43-气体收集装置和44-液体收集装置

5-数据采集系统

51-测控计算机，52-数据采集装置，53、54-温度传感器，55-壁温传感器，56、57-压强

传感器

6-高压气源

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。

实验系统如图1所示。

一种再生冷却通道内水油混合物流动与传热特性模拟装置，所述模拟装置包括：水油供应系统1、两级加热系统2、冷却回收系统3、裂解产物采集系统4、数据采集系统5、高压气源6；

所述水油供应系统包括两组液体供应装置，分别用于供应水和煤油；每套液体供应装置由管道依次连接贮罐11、15，过滤器12、16，恒流泵13、17和流量计14、18，两种液体经三通19混合后流入两级加热系统；

所述两级加热系统包括用于预热混合流体的预热段21和完成液体升温的二级加热段23，两段加热管路均使用热电偶进行加热；

所述冷却回收系统包括用于冷却裂解产物的冷却装置31和煤油回收装置34；

所述裂解产物采集系统包括气液分离器41、湿式气体流量计42、气体收集装置43和液体收集装置44；

所述数据采集系统中测控计算机51通过数据采集装置52连接位于两个四通22、24处的温度传感器53、54和压强传感器56、57，以及位于二级加热段的壁温传感器55，对流体的温度、压强和壁面的温度进行采集分析，采集的温度、压强数据于测控计算机中进行汇总；

所述高压气瓶6通过管路接入水油供应系统与两级加热系统之间，方便进行实验后的吹除；

所述模拟装置的各系统之间和各组件之间均使用管路相连，管路尺寸由具体试验工况决定。

作为优化地，在水油供应系统1中使用两台相同型号恒流泵13、17分别供应水和煤油，以保证供应的稳定性和流量的准确性。

作为优化地，在冷却回收系统3中的冷却装置31设置两级水箱，以保证冷却水水位稳定，增强冷却系统的冷却能力。

作为优化地，在冷却回收系统3中设置过滤装置32，清除实验中产生的焦炭微粒，避免堵塞试验管路。

作为优化地，在冷却回收系统3中设置背压阀33，阻止产物回流，确保实验安全。

作为优化地，两级加热系统2均使用热电偶进行加热，并在加热位置后设置四通22、24，连接温度传感器53、54和压强传感器56、57。

作为优化地，设置装有氮气的高压气瓶6用于进行试验设备的吹除，在每次试验后清除管路中的残余物质，避免其干扰下一次实验。

实施例：

实验过程中，两台恒流泵13和17分别以设定体积流量由储罐11、15经过滤器12、16抽取煤油和水，在水油供应系统1出口处三通19进行混合。在这一过程中流量计14、18分别测量两种流体的实际流量。

混合完成的液体，在两级加热系统2中进行加热。其中21为预加热段，通过预加热促进管路中煤油与水的混合。四通一22处安装的温度传感器和压强传感器对完成预加热的混合流体进行温度、压强测量。预加热完成的混合流体在二级加热段23中加热至实验所需温度。完成加热的流体在四通二21处进行第二次温度压强测量。

混合流体在冷却回收系统3中进行降温回收。混合流体依次经过冷却装置31进行降温，过滤器32过滤裂解产物中的焦炭颗粒，经背压阀33后所含煤油进入煤油回收罐34，剩余实验产物进入裂解产物采集系统4。

进入裂解产物采集系统4的产物经气液分离装置41进行气液分离，气象产物经湿式气体流量计42进入气体产物采集装置43，液体产物进入液体产物采集装置44。

在实验过程中，测控计算机51通过数据采集装置52进行实验的数据收集和工况监控，避免出现意外事故。

试验结束后，清理过滤器32的滤芯并使用高压气瓶6进行吹除，消除装置内残留的裂解产物和煤油，避免其干扰下一次实验。

在调节工况时，可以通过调节恒流泵13、17，背压阀33，二级加热段23来调整实验段煤油和水混合物的质量流量、水油比例、压力、热流密度等参数；通过更换实验段通道管路的长度和尺寸来改变实验段管路的尺寸参数；对实验段管路采取不同的固定方式，可以研究流动方向以及管路倾斜角度对实验结果的影响。此外，可以在只使用恒流泵13或17的情况下，单独研究燃料或水的流动与传热特性。

上述说明示出并描述了发明应用的实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。