[发明专利]一种测量航空煤油临界点区间范围的装置及方法

说明书

本发明公开了一种测量航空煤油临界点区间范围的装置及方法。测量装置由测试上腔体、测试下腔体、左侧T形石英玻璃、右侧T形石英玻璃、驱动活塞、左侧外端盖、右侧外端盖、加热云母片、高压热电偶接口和高温压力表接口等部件组成。测试过程中将航空煤油放置于密封的测试腔内，通过驱动活塞向外传压，不仅解决了燃油在临界点区间内体积急剧膨胀压力难以测量的问题，而且杜绝了有毒密封剂的使用，从而提高了实验的安全性，同时消除了密封剂在临界点区间的溶解效应，进而提高了测量的精度。为使得测量过程更加简单直观，通过直接观测航空煤油的乳光效应来确定临界点区间范围。本发明原理简单、操作方便、安全性高可以很好地满足测量航空煤油临界点区间范围的要求。

本发明涉及高超声速飞行器推进系统中的超临界燃油燃烧领域，具体为一种用于测量航空煤油临界点区间范围的装置及方法。

背景技术

高超声速飞行器是目前各军事强国研究的重点之一。飞行器在飞行过程中将伴随着滞止热的产生，且随着飞行马赫数的增加，产生的热载荷将急剧增大。此时，传统的空气冷却方式将不能满足冷却需求。目前，研究人员多采用再生主动冷却方式，即把所携带的燃油当作冷却剂对机身进行冷却，燃油在冷却机体过程中温度逐渐升高将有可能达到并超过临界点。

当燃油达到临界点时，其物性将会发生极大的改变，表面张力消失、气化潜热将为零，并兼具气体的低粘性和液体的高密度等。超临界燃油物性的特殊性使得其喷射雾化过程与亚临界相比相差极大，这将直接影响到燃烧过程，进而影响到发动机性能。因此，对超临界燃油物性的研究将是今后高超声速飞行器发动机设计研制过程中不可或缺的。

临界点(包含临界温度和临界压力)是描述物质热物理性质的重要基础参数之一，常用于计算热力学性质以及其它热物性的预测，其参数的准确性直接决定了物性计算的可信程度。对于纯净物来说，临界点是一个确定的值，即气液两条溶解度曲线的相交点，在该点处气液两相可以以任意比例互溶。对于燃油而言，由于其构成组分多达上千种，且成分会随型号、产地等因素的改变而改变，这都将造成其临界点不再是一个确定的值而是一个区间范围。因此，当涉及到燃油临界参数计算时，人们更关注其临界点区间范围。

当航空煤油处于临界点区间时，会表现出很多奇异的性质，比如相变热急剧减小，会有密度梯度以及临界乳光现象的产生等，这些都可以作为确定临界点区间的依据。航空煤油临界点区间的测量主要分为直接法和间接法两种，间接法主要是通过推算比热在C_v-T图上出现尖峰的起始位置作为其临界点区间的判据，但在临界点区间内航空煤油的物性对温度和压力较为敏感，比热值会发生无规律的波动，对其进行准确测定十分困难；直接法主要通过观测乳光现象开始出现及消失时所对应的煤油的参数来确定临界点区间。为提高测量精度及简化测试步骤，本发明采用了操作简单且测量结果更为准确的直接观测法来测量航空煤油的临界点区间。

根据测试容器是否为变体积容器，直接观测法又可以分为闭管和开管法。闭管法主要通过将一定量的航空煤油放入已知容器体积的密闭容器中，对其进行加热，通过观测发生相变时候相界面的位置来确定物质的临界点区间，闭管法测量方法主要存在以下不足：

1)只能测量临界温度区间，不能测量临界压力区间；

2)操作过程繁琐；

3)工作量大，每次操作都需要重新装载试样。

开管法测量原理与闭管法基本相同，其装置一端封闭，另外一端采用高密度流体作为密封剂，通过密封剂向外传压，进而测量临界压力区间。传统的开管法测量航空煤油临界点区间主要存在以下问题：

1)测量临界压力区间时，密封剂的压力修正往往会产生误差；

2)跨临界状态下，密封剂会部分溶于燃油，从而造成临界点区间的偏移；

3)所使用的密封剂一般为汞、镓等有毒性物质，操作不慎时会引发人员中毒。