1. 引言
随着冲压发动机的问世，高超声速飞行器的发展得到了普遍重视。高超声速飞行器发动机在工作过程中经历着高温高压等恶劣工作条件，其工作温度可达2000 K以上 [1] [2] ，因此需要高效的热防护方式保证发动机的安全性。而使用航空煤油作为冷却剂的主动冷却技术是一种不错的选择，当航空煤油作为冷却剂时，其可以通过两种不同的热吸收作用来降低发动机的温度，一是通过物理热沉吸收热量，二是通过化学反应裂解吸热 [3] [4] 。当航空煤油在高温下发生裂解结焦反应会使得流动和传热现象变得非常复杂，这既增加了流动阻力，又导致了换热效率下降，严重时甚至堵塞管路，影响飞行安全 [5] [6] 。因此，研究航空煤油的结焦特性是很有必要的。
目前，国内已有研究者对RP-3的结焦特性进行了实验研究。姬 [7] 等采用电加热作为直管预热段的加热方式，管式加热炉作为加热系统的加热方式对螺旋管、直角弯管以及直管三种结构下的RP-3的热氧化结焦特性进行了实验，指出大曲率结构可能会降低结焦量。赵 [8] 等则没有对RP-3进行预热而是直接通过电加热的方式将RP-3加热至所需温度进行热裂解反应，研究了S型不锈钢管内RP-3的裂解与结焦过程。Pei [9] 等采用预热器和管式加热炉联合的方式研究了最高出口温度为450℃不同入口温度下S型管内RP-3的氧化结焦特性。黄文 [10] 等通过电极电加热的方式对U型管内的RP-3进行了压降特性的实验研究。张 [11] 等通过实验研究了竖直向上和竖直向下管内RP-3的换热特性，探讨了浮升力对RP-3结焦过程的影响。孙 [12] 等开展了歧管式微通道(MMC: manifold microchannel)内碳氢燃料超临界压力流动换热现象的数值模拟研究，讨论了不同歧管结构单元数量下冷却平板的换热效率与湍流场分布特征。
综上所述，针对典型航空煤油RP-3的研究主要集中在流动及传热特性、热氧化结焦等方面，而针对高温高压条件下的航空煤油的裂解结焦特性研究较少。因此，本文采用电加热作为实验段加热方式，管式加热炉作为蛇形预热段加热方式研究了RP-3在高温高压入口条件下S型管内的裂解结焦特性。
2. 方法
2.1. 实验系统
本文航空煤油RP-3裂解结焦实验系统主要由供油系统、预热系统、加热试验系统、冷却系统、测量系统组成，其示意图如图1所示，实物图如图2所示。其基本工作原理为：密封油箱内的航空煤油经过柱塞泵的抽取加压并经过脉冲阻尼器的稳压后，通过质量流量计达到预热段加热至指定入口温度；然后通过直流电源电加热的方式将实验段的航空煤油加热至指定的温度进行裂解实验，最后裂解产生的废油和气体经过冷凝管冷却后流入废油箱，并通过气袋采集裂解过程中的产气量。
供油系统主要由密封油箱、柱塞泵、单向阀、脉冲阻尼器、过滤器以及质量流量计以及背压阀组成。实验过程中的压力由柱塞泵和膜片式背压阀共同形成及维持，其中柱塞泵最大供油量9.5 kg/h，精度为1%；背压阀压力承受范围0~6 MPa，精度1%。柱塞泵由于其活塞往复运动的原因，会对管内油压造成脉冲波动现象，为了避免这种压力波动对实验结果造成的影响，采用了隔膜式脉冲阻尼器来减弱这种压力波动，隔膜式脉冲阻尼器工作压力为2.1 MPa。同时采用40 um孔隙通径的过滤器来过滤航空煤油中可能存在的微小杂质，避免杂质堵塞质量流量计。
Figure 1. Schematic diagram of aviation kerosene pyrolysis bench
图1. 航空煤油裂解台架示意图
Figure 2. Aviation kerosene pyrolysis bench
图2. 航空煤油裂解台架实物图
预热系统主要由管式加热炉、螺旋蛇形弯管组成。管式加热炉使用电流焦耳效应产生热量，其加热额定功率为1800 W，最大加热温度可达900℃，温度控制精度为±1℃。预热段管件由外径6 mm厚度1 mm的螺旋状无缝钢管制成，螺旋半径为70 mm，长度30 cm。管式加热炉的进出口均采用耐火砖作为隔热保温材料，维持腔内温度。采用螺旋状的预热段一方面可以减小整个系统的长度同时又可以增大航空煤油的换热效率。
加热系统主要包括S型实验段、直流电源、耐高温四通接头、陶瓷管以及卡套等。其中S型实验段由外径3 mm厚度0.5 mm的高温合金管制成，直流电源最大输出功率可达6000 W，具有恒流或恒压两种输出模式，耐高温四通接头主要用于安装测量进出口温度的热电偶以及压差管，同时采用陶瓷管与卡套结合的方式避免实验中的触电风，整个实验段以及四通接头、陶瓷管等均由保温棉包裹。
冷却系统主要由冷却水箱、螺旋冷却管以及过滤器组成。实验段出口的航空煤油温度可高达600℃以上，而通常的背压阀以及其他配套设施最大限度温度为200℃，因此需要对煤油进行降温处理确保设备安全。与预热段类似采用6 mm的螺旋蛇形弯管作为冷却管以增大空间利用率和换热效率。
测量系统主要对系统压力、进出口温度以及质量流量以及裂解过程中产气量进行测量。对于系统压力采用高精度的压力变送器进行测量，其测量范围为0~5 MPa，测量精度为0.5%。航空煤油进出口温度则采用K型热电偶进行测量，其可测量0℃~1300℃内的温度，测量精度1%。在测量煤油进出口温度时，采用预埋式测量方法：直接将热电偶测温头沉浸在煤油管路中，利用卡套的方法保证管路的密封性，这样既确保了测温准确性又不会影响煤油的流动状态。本文中采用科氏力质量流量计对航空煤油流量进行测量，其可测量的最大质量流量为4 kg/h，测量精度为0.5%。为了探究航空煤油裂解的产气特性，使用3 L容积的压缩气袋对产气量进行测量，并利用气袋总容积除以充满气袋的时间获得这段时间内的产气速率。
2.2. 实验工况
通过上述实验系统，本文测量了基础航空煤油RP-3的裂解实验数据，其具体试验工况见表1所示。
Table 1. Aviation kerosene cracking experimental conditions
表1. 航空煤油裂解实验工况
3. 结果与讨论
3.1. 临界结焦功率
Figure 3. Relationship of jet fuel outlet temperature over time
图3. 航空煤油出口温度随时间的变化
临界结焦功率可以看出航空煤油在此种环境下的吸收热量的能力。临界结焦功率越大，说明其吸收热量效果更好，更具备成为航空发动机冷却剂的前提，实验中主要通过实验段出口温度的变化来确定其临界结焦功率。图3为实验测得的出口处航空煤油的温度随时间的变化图。一般来说，当航空煤油温度大于450℃时 [13] ，其就已经开始发生裂解结焦过程，因此在图3中标出了这条温度线，以便更好的分析航空煤油的结焦过程。当加热功率给定为650 W时，航空煤油温度从285℃升高至450℃时用了70 s的时间，在这一过程内航空煤油主要通过物理吸热的方式使得自身的温度快速上升。同时随着时间的推移，在650 W持续时间内，当航空煤油温度大于450℃后，其温度上升速率明显变缓，这是由于航空煤油已经开始初步的裂解反应产生大碳氢液体，从而吸收的热量更多用于化学反应断健，那么就会导致温度上升减缓。当继续增大加热功率至700 W并维持一定时间，可以从图中发现，在此功率下航空煤油的温度升高同样缓慢，这是由于此时航空煤油到达裂解最快速的时候，更多的大碳氢液体分子吸收热量裂解为小分子液体和气体，整个体系的温度增加就不明显。而当加热功率调整到730 W时，航空煤油温度在短时间内急剧上升，从602℃增加到682℃，而其时间大约是90 s。这是由于随着时间推移，管内结焦固体物含量增多导致管子堵塞，导致焦炭等产物直接物理吸热，从而导致温度快速上升。
3.2. 进出口前后压差
进出口前后压差是由管内壁面的结构造成的，而当航空煤油发生裂解反应后，会形成许多结焦物附着于管内壁上，从而改变管内的流动特性。通过检测进出口压差的变化可以知道航空煤油随加热功率的结焦特性变化关系。图4展示了实验段进出口压差随时间的变化关系。从图中可以看出，当加热功率为650 W时，在此功率持续时间内，实验段进出口压差随着时间的推移其逐渐增加。由前面工况可知，入口油温为285℃，此条件下的航空煤油处在氧化结焦阶段，当航空煤油持续吸收热量温度升高后发生裂解反应，沉积于管内壁的物质增多，管内径变小，导致进出口压差逐渐增大。而当继续增大加热功率后，进出口前后压差持续增加，说明当加热功率维持在700 W时，航空煤油温度在600℃左右时，航空煤油的裂解率达到最大值。而当加热功率增加至730 W并维持一定时间后，进出口前后压差突然加速上升，说明此时管内径已经非常小，前后流动阻力增大很多，意味着管子即将发生堵塞，说明730 W是本文试验工况下航空煤油的临近结焦功率。
Figure 4. Relationship between the inlet and outlet pressure differentials over time
图4. 进出口压差随时间变化关系
3.3. 产气速率
为了考察了航空煤油的裂解过程其气相产物的生成速率，分析统计了其在裂解过程中的产气速率。如图5所示，展示了航空煤油产气速率随时间的变化关系，并划出了三个不同功率所对应的产气速率。从图中可以看出，当加热功率为650 W时，有相当长的一段时间内没有产气，在这段时间内航空煤油主要进行物理吸热以及氧化结焦反应，产生结焦前驱体，但这并不代表没有化学热沉。而后随着加热功率的提高，航空煤油裂解反应加快，使得其产生了更多的气体，这一点可以从产气速率的增加看出。当加热功率靠近临界结焦功率时，此时反应达到最大速度，航空煤油的产气速率也达到了最大值，管路内已经开始发生堵塞，使得随着时间地推移，产气率有所下降。
4. 结论
本文设计并搭建了一套电加热方式加热用于测量RP-3航空煤油热裂解结焦的试验系统，并对RP-3航空煤油在S型不锈钢管内的裂解与结焦过程进行了实验研究，得到以下结论：
1) 在压力3 MPa、实验入口温度285℃、航空煤油质量流量0.44 g/s时，航空煤油的临界结焦功率在730 W；
2) 随着加热功率的增加，实验段进出口前后压差逐渐增大，说明提高加热功率更有助于航空煤油的裂解；
3) 裂解过程中产气速率随着加热功率上升逐渐提高，但在临界结焦时，其产气速率会发生下降，这是由于管路堵塞造成的。