● 摘要
未来先进的航空发动机要实现高推重比，增加涡轮前温度是提高发动机推重比的最有效途径。而涡轮前温度的提高导致传统的涡轮叶片冷却方式无法满足未来先进发动机的需要。为此提出了使用机载航空煤油作为冷却剂对冷却涡轮叶片的高温空气进行预先冷却，然后用降温后的空气对高温涡轮叶片进行冷却的发动机热管理系统。在该系统中，由于燃油吸收了足够的热量使得其温度超过了燃油自身的临界温度，而通常情况下发动机的供油压力均高于燃油的临界压力，这样就使得燃油在进入燃烧室前进入了超临界状态，导致了超临界燃油喷射燃烧问题。超临界航空煤油由于其不同于常规液态煤油的凝聚状态及独特的热力学性质，使得其喷射过程不同于常规发动机的液态燃油喷射过程。航空煤油是复杂的多组分碳氢燃料，影响其超临界喷射特性的因素除了超临界流体本身所具有的独特的性质外，还有复杂的组分的影响。为了深入的研究超临界流体本身的性质及复杂组分对超临界航空煤油的喷射特性的影响规律。本论文分别对超临界正十烷，质量分数各占33.3%的正十烷/正庚烷/正戊烷三组分碳氢燃料混合物及RP-3航空煤油喷射到静止大气环境中的喷射特性进行了详细试验和理论研究。主要研究内容包括：分别对以上三种碳氢燃料在超临界状态下喷射到静止大气环境中的射流结构及相变特性进行了试验研究；对以上三种碳氢燃料喷射的相变过程进行了的数值计算和理论分析；对其在喷嘴内部的流动过程进行了数值计算和理论分析；并对不同种类的碳氢燃料在超临界状态下的喷射特性进行了对比分析。研究结果表明：超临界碳氢燃料喷射到静止大气环境中会在喷口下游产生马赫盘等激波结构；喷射压力是无量纲马赫盘位置及尺寸的最主要影响因素，喷射温度及碳氢燃料的种类对马赫盘的位置没有影响，但对马赫盘的尺寸有影响；在较高的喷射温度下，超临界碳氢燃料喷射后不会发生凝结，直接由超临界态过渡到气态。而在较低的喷射温度下，射流会在喷嘴内部或喷口处发生凝结，从而进入两相区或者液相区。碳氢燃料的组分对相变过程有很大的影响；在不发生凝结的情况下，超临界碳氢燃料在喷嘴内部的流动参数分布具有相似的分布型，但喷射参数及碳氢燃料的种类会影响喷流动参数在喷嘴内部的分布规律；流动参数在喷嘴内部分布规律为比热比，压缩因子及无量纲面积比的函数。