中文摘要：

热防护是发展吸气式高超声速飞行器尤其是超燃冲压发动机的关键技术，吸热型碳氢燃料被认为是最佳的冷却剂。由于吸热型碳氢燃料冷却过程中会发生裂解反应，与传统航空发动机和火箭发动机冷却过程有很大区别。因此，掌握吸热型碳氢燃料流动换热及裂解规律，成为发展吸热型碳氢燃料冷却技术的核心。本项目根据裂解反应与流动特征时间尺度的相关性，将流动过程划分为平衡流动、化学非平衡流动和冻结流动三种流动形式；并将吸热型碳氢燃料传热过程分成相应的传热温区。进而研究不同时间尺度下流动与裂解反应耦合作用机制，掌握不同温度区间吸热型碳氢燃料传热特性，揭示吸热型碳氢燃料特殊流动与裂解反应传热机理。本项目采用数值模拟、PIV可视化流场测试和单管碳氢燃料高温加热实验相结合的方法，利用三者之间的互补性，来开展相应的研究工作。掌握吸热型碳氢燃料流动、传热及裂解规律，对于主动热防护系统设计具有重要的意义。

结论摘要：

基于热平衡管道能量方法，在考虑真实气体物性变化条件下，建立了流动裂解耦合一维计算模型，同时基于碳氢燃料裂解传热实验系统对该模型进行了可靠性验证。为了量化流动裂解间的耦合效应，引入了邓克勒数（Da），并分析了每个区域内的温度、流动、裂解率分布情况。最后通过对比分析每个区域内的Da数及热沉比分布特点，从流动与裂解耦合效应的角度提出了一种基于Da数控制化学热沉分布的方法，同时根据不同影响因素条件下Da数与化学热沉分布的变化特点进一步验证了该方法的有效性。针对碳氢燃料流动裂解耦合流场，利用预处理形式的控制方程，使用时间推进算法建立了基于非结构化网格的超临界低速化学反应流二维模型。模型中采用了TNT k-ω湍流模型，同时引入了真实气体物性算法。对流项采用了基于Venkatakrishnan二阶限制器的界面物理量高阶重构与预处理改进型AUSM+格式相结合的形式进行离散。然后在进行非结构化网格重排序的基础上使用LU-SGS隐式求解方法对离散方程进行全耦合形式求解。最后分别基于Hagen-Poiseuille流、平板边界层流及粘性方腔驱动流对基于预处理后的全耦合时间推进计算法方法在低速流计算中的适用性和可靠性进行了验证分析。基于碳氢燃料裂解传热实验及商用程序计算平台对二维碳氢燃料流动裂解耦合二维计算模型进行了可靠性验证。同时基于Da数分布对径向的流动裂解耦合效应进行了分区，分析了每个区域内化学热沉分布特点，从而将基于Da数的化学热沉控制方法推广至二维流场。基于该两种物理过程的作用特征时间讨论了径向热量扩散与传质过程对流动裂解耦合过程的影响，从而深入分析了化学反应流的多维流场结构。并基于以上机理对压力、流量及壁面热流影响下的流场结构、Da数及化学热沉分布进行了深入讨论。对冷却平板中的局部特殊冷却结构在Da数Ⅰ区域内流场分布进行了三维数值模拟，从合理分配燃油热沉的角度对特殊结构进行了优化。然后对比分析了在亚临界区、跨临界区及超临界区中，在燃料物性剧烈变化影响下，局部特殊结构周围流场分布特点、下游通道流量分布特点。从而提出了局部特殊冷却结构在冷却平板中的最佳设计位置。在项目执行的3年中，申请者在科学出版社出版了专著1部，作为第2作者；在Energy、Fuel等期刊发表SCI论文14篇；授权发明专利1项，申请发明专利4项；并获得黑龙江省自然科学奖1项，作为第2获奖人。