[发明专利]一种超临界航空煤油的密度测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及超临界燃烧技术领域，具体为一种超临界航空煤油的密度测量装置及其测量方法。

背景技术

随着高超音速飞行器研究的发展，目前对高性能航空航天发动机的需求变得越来越强烈，先进的航空发动机、液体火箭发动机和爆震发动机的燃烧室对燃烧的组织提出了更高的要求，燃料与空气的快速蒸发、混合和燃烧，是今后高性能发动机研制过程中面临的巨大挑战。

随着高性能发动机燃烧室的环境温度和压力逐步提高，燃油温度和压力超过其临界点的温度和压力，如图1所示。此时发动机燃烧室中的液态燃油的燃烧将处于超临界状态，当液体燃油处于超临界状态时，它可以跨越常规发动机燃烧室中亚临界燃油的雾化和蒸发的过程而直接以类似气体的燃烧方式燃烧，可以使发动机的燃烧效率和性能得到大大提高，满足高性能发动机的设计要求。因此，对超临界燃油的喷射和燃烧特性的研究将是今后先进发动机研制中不可或缺的。

对超临界航空煤油性质已有的研究表明，当煤油处于超临界状态，它既不属于液相也不属于气相，相的分界面消失了。它兼具气体的低粘度和液体的高密度，以及介于气体和液体之间的较高扩散系数等特征。在临界点附近，航空煤油的热力学输运性质对压力和温度的变化很敏感，燃料的比热将变为无穷大，气化潜热变为零，这时的加热、蒸发和燃烧特性完全不同于亚临界状态。另外，航空煤油属于混合物，容易造成其临界点的抖动和偏移。由于超临界流体的上述独特性质，使得研究的复杂性大大增加，给数值和实验研究带来极大的困难。

航空煤油作为目前应用最广泛的航空航天推进系统的燃料和推进剂，对其超临界状态下的喷射和燃烧特性展开研究具有重大的意义。由于从常温状态到超临界状态的过程中，物性参数会发生很大的改变，而不同温度和压力下超临界航空煤油的各物性参数是建立其它一切理论、数值模型以及实验研究的基础。同时，超临界航空煤油各物性参数的准确测量，还可用于定性和定量的研究其与常规的亚临界态喷射和燃烧的差别，改进已有的分析模型，建立适合超临界喷射和燃烧的理论和数值模型。

总之，只有了解超临界航空煤油不同温度和压力下的物性参数，才能充分研究超临界态航空煤油的喷射、雾化和燃烧特性，才能设计出适用于高性能航空航天发动机的超临界燃烧室。

目前，美国国家标准与技术研究院（NIST）已经建立了不同种类的低分子和高分子碳氢燃料物性参数的国家数据库，为科学研究带来了极大的方便。然而，由于航空煤油属于混合物，其物性参数和与其组成类似的纯净高分子碳氢燃料相比存在一定的差别，尤其在临界点附近。鉴于超临界航空煤油物性参数的重要性，所以很有必要通过实验方法来建立航空煤油的物性参数数据库，为后续的研究提供数据库储备。

航空煤油作为目前应用最广泛的航空航天推进系统的燃料和推进剂，其物性参数的准确测量是建立一切理论、数值模型和实验研究的基础。由于航空煤油属于混合物，其组成成分复杂，目前的研究中，常采用替代燃料法（用分子式和临界参数相近的纯净物来替代混合物进行物性参数计算）来进行研究，如：可采用物性参数相近的C10H22（正癸烷）作为航空煤油的替代燃料。但超临界航空煤油的物性参数与替代燃料的物性参数仍然存在很大的差别，这将对研究的准确度带来一定的影响。

我国目前常用航空煤油的临界点压力为2.2-2.4MPa，临界点温度640-660K。要准确测量超临界状态下的航空煤油的密度值，最简单的方法就是计算出不同温度和压力下特定质量(M)航空煤油的体积(V)大小。高温高压环境下仪器的耐热强度和连接面的密封问题对密度测量装置提出了苛刻的要求。此外，超临界态航空煤油的密度值在加热过程中变化剧烈，图2是2.1MPa压力下常作为航空煤油替代燃料的C10H22（正癸烷）的密度随温度的变化曲线，可以看出随温度的升高，其密度值逐渐减小，在临界点附近，密度值急剧下降，超临界状态下的密度值可小于常温状态下的五分之一。因此可以推测，超临界状态的航空煤油的密度值仅为常温常压下的密度值的几分之一，所以测量过程中体积的剧烈膨胀性是测量的又一困难。