高超声速飞行器超临界RP-3煤油裂解与超临界CO?再生冷却复合通道热工水力特性数值研究

《Scientific Reports》：Numerical study on combined regeneration cooling of supercritical kerosene and supercritical CO? considering cracking effect

　　

摘要

为满足高超声速飞行器在极高热环境（Ma ≥ 8）下热防护系统的高效传热需求，本文数值研究了超临界 RP-3 煤油裂解与超临界 CO? 再生冷却通道的复合冷却热工水力特性。研究了三种通道截面（圆形、三角形、矩形）和两种流动布置（顺流和逆流）。基于 SST k-ω 模型和 24 步 18 组分裂解反应机理，系统揭示了裂解反应、流动行为和传热之间的耦合规律。与单煤油基准相比，双流体构型使峰值壁温降低了约 25–30%，且 sCO? 侧吸收了总热负荷的 39–49%。逆流产生更高的局部努塞尔数，而顺流则带来更低且更均匀的壁温以及更高的裂解率，揭示了传热强度、壁温抑制与燃料转化率之间的权衡关系。圆形通道提供了最佳的温度均匀性和最高的整体性能指数 η，该指数平衡了传热增强与流动摩擦惩罚。研究发现圆形截面与顺流的组合为最优方案。本研究为高超声速飞机主动热防护系统的结构设计和优化运行提供了参考。