攻读博士学位期间拟进行的科学研究设想

攻读博士学位期间拟进行的科学研究设想
博士研究生科学研究设想
研究方向：高温碳氢燃料冷却系统的不稳定性研究
申请人：XXX
报考导师：XXX 教授
2013年9月28日
目录
一、前言 (1)
1、自我介绍 (1)
2、个人能力 (1)
3、缺点局限 (1)
二、数值研究 (2)
1、数值研究背景 (2)
2、数值研究设想 (3)
三、实验研究 (4)
1、实验研究背景 (4)
2、实验研究设想 (4)
四、总结 (5)
参考文献 (6)
一、前言
1、自我介绍
我是XX大学2011级硕士研究生XXX，申请进入哈尔滨工业大学能源科学与工程学院先进动力技术研究所攻读博士学位，研究方向为高温碳氢燃料冷却系统的不稳定性研究。

我于2007年进入XX大学攻读XX专业学士学位，在本科毕业后因对航空航天方面的兴趣，2011年继续在XX大学攻读XX硕士学位。

首先，考虑到哈尔滨工业大学能源科学与工程学院先进动力技术研究所在高超热防护主动冷却方向具有国内一流的硬件及软件条件，其次，考虑到自身条件及个人兴趣，有进一步深造的需求，再者，哈尔滨工业大学现提供了申请的平台，因此向哈尔滨工业大学提出攻读博士研究生的申请。

2、个人能力
本人在硕士学习期间，在课程学习和参与科研项目期间，在某些方面能力得到了锻炼和提高，现介绍如下。

（1）外文文献翻译能力、表达能力、编程能力：研究生期间的“高超音速推进系统”课程中，要求学生翻译外文教材并在课上讲述教材内容；“计算流体力学”课程中，要求学生独立完成程序调试工作；“火箭发动机燃烧与流动”课程中，要求学生以团队方式完成固体火箭发动内弹道计算程序的编写。

本人在这些课程当中表现优异，在完成课程任务期间，外文文献翻译能力、表达能力、编程能力都得到了提高。

（2）ANSYS Workbench工程设计、装配体结构设计能力：本人在研一期间参与863项目“大尺寸复杂组件的连接与热匹配技术”，主动承担了该项目热防护方面计算任务，掌握了对ANSYS相关软件的使用，并独立设计完成新型热防护结构层连接方式的CAD设计和热匹配计算。

（3）CFD相关软件的使用及二次开发、QT界面程序开发：本人在研二期间参与中船重工集团某所项目“防爆抑爆仿真软件和舱壁喷淋仿真软件”，负责后处理程序开发与界面设计，掌握了对CFD软件的二次开发及QT界面程序开发。

（4）数据处理分析、文章撰写：本人在研二期间参科工集团某院项目“喷管二次喷射流场研究”，承担了主要计算任务及主体报告的撰写，期间掌握了复杂结构的高质量结构网格划分技巧，并完成了对大规模数据的处理分析，完成了技术报告的撰写工作。

项目期间，发表会议论文两篇，EI论文一篇。

3、缺点局限
本科及硕士期间，由于学习能力有限，本人还有很多方面的缺点和能力的局限，现介绍
如下：
（1）外语能力较弱：本人在外语交流能力上较弱，在外文文章写作方面有待提高，缺少外文文章的撰写经验，未发表过外文文章。

（2）实验操作能力较弱：本人硕士期间以数值模拟为主，实验研究接触较少，缺少实验研究经验。

（3）管理组织能力较弱：本人本科及硕士期间，以个人承担科研任务为主，较少接触科研团队模式，缺少科研管理经验。

二、数值研究
1、数值研究背景
超燃冲压发动机在高超声速飞行过程中会面临恶劣的热环境，表1给出了马赫数为6和8时发动机燃烧室中的总温和静压[1]。

超燃冲压发动机内部的复杂激波波系、燃烧脉动和燃烧振荡导致壁面的换热条件变化很大，这样恶劣的条件很容易使燃烧室局部热流密度过大，局部壁面温度过高，导致燃烧室壁面烧毁。

因此对于需要长时间工作的超燃冲压发动机而言，热管理系统十分重要。

表1 马赫数6和马赫数8发动机燃烧室内总温和静压
飞行条件燃烧室最大压力位
置
燃烧室最大温度位
置
巡航马赫数动压
/(Pa)
P max/(Pa) T total/(K) P local/(Pa) T total/(K)
6 71820 301650 2500 67032 2700
8 71820 196310 3050 52668 3100
碳氢燃料是针对超燃冲压发动机的热管理问题所提出来的。

作为一种可燃冷却剂，碳氢燃料由于化学反应能够提供更高的热沉，且具有来源广泛、使用安全、价格低廉等优点，是系统利用再生冷却热防护较为理想的燃料，其传热及裂解特性是研究的主要重点。

（1）超燃冲压发动机主动冷却结构设计方面：目前国外建立了结合试验研究的若干热分析计算研究程序，例如M.H. Naraghi[2][3]，建立的计算程序RTE；应用于NASP的飞行器综合热管理分析程序VITMAC[4]；法国MBDA的一维NANCY程序[5]以及ONERA发展的MOSAR程序[6]。

国内也就超燃冲压发动机再生冷却的传热过程建立了数学模型，就再生冷却通道的几何参数对换热的影响进行了分析并同实验结果进行了对比分析。

牛禄就层板推力室再生冷却通道的传热特性进行了分析[7]，李军伟研究了一种计算再生冷却推力室温度场的方法
[8]，蒋劲等人开发了超燃冲压发动机再生冷却热结构设计的计算工具[9]。

（2）高超声速飞行器的碳氢燃料裂解性质的数值研究方面：美国编制一维数学模型模拟碳氢燃料的传热传质性能，计算燃油的热沉[10]；美国也利用了多维模型模拟热流密度和流量对碳氢燃料催化脱氢的性能影响，并利用实验结果进行对比验证。

法国为了评估燃油的热沉，利用软件得到燃油反应中各个组分的熵，从而得到燃油的热值[11]。

捷克通过对燃油建立热力学模型以及化学动力学模型，模拟燃料热裂解性能，并与实验结果结合很好。

俄国建立结焦模型，湍流模型，通过传热边界条件，并利用碳氢燃料裂解的实验结果，指导数值模拟计算；俄国通过编制三维流动模型模拟燃油裂解性质，估算真实条件下燃油的热沉[12]。

国内对应用于高超声速飞行器方面的碳氢燃料的热裂解数值模拟研究起步较晚，鲍文、周伟星等提出了一个一维非稳态模型来研究碳氢燃料的裂解反应与流动换热过程的耦合特性[13]。

（3）超临界条件下碳氢燃料流动换热特性方面：Brad Hitch等人对超临界条件下碳氢燃料的换热特性研究表明在浮力效果对换热特性有一定的影响[14]。

Justin M. Locke在文章中探讨了以往热的超临界氢的传热关系式和氢属性数据不确定性的影响，表明属性数据的不确定性可高达10％[15]。

国内方面，中国科学研究院范学军、俞刚等对跨临界区煤油的传热流动特性进行了研究，但是统一的换热特征表达式由于跨临界煤油换热流动的复杂性未给出[16]；清华大学侯凌云等人开展了对乳化煤油的传热性能的数值研究，研究了热流密度和析碳对乳化煤油换热的影响[17]；哈尔滨工业大学鲍文等人就超临界碳氢燃料流动换热展开了仿真研究，建立了适用于温度、压力大范围变化的超临界碳氢燃料换热特性研究的一维模型[18]。

2、数值研究设想
针对目前的数值研究背景，总结如下：
（1）在超燃冲压发动机主动冷却结构设计方面，国外已经设计开发多个专项程序，并已经开发综合热管理分析程序；国内目前处在设计数学模型及专项软件开发阶段。

（2）在碳氢燃料裂解性质的数值研究方面，美国较为领先，国外在建立热力学模型以及化学动力学模型方面的工作较多；国内目前在碳氢燃料裂解性质的数值研究目前还在起步阶段，国内目前的裂解模型误差较大。

（3）超临界条件下碳氢燃料流动换热特性方面，国外研究起步较早，法国已建立仿真平台；国内研究也取得阶段性成果，哈尔滨工业大学先进动力研究所建立了适用于温度、压力大范围变化的一维模型。

本人根据目前研究背景及个人能力，做出博士期间如下有关数值研究方向的研究设想：（1）针对目前已有超临界碳氢燃料换热特性研究的一维模型，进行改进和提高，在此方向上预期发表一篇EI论文。

（2）深入所内目前碳氢燃料裂解性质的研究，在改进模型的基础上，尝试将其研究成果和改进模型进行融合，并与实验研究相互配合，在此方向上预期发表一篇EI论文或SCI论文。

（3）在上述预期工作之上，整合数值研究成果，尝试开发适用于研究所目前科研工作的图形界面程序，在此方向上预期申请1项专利。

（4）因个人对推进系统方向的兴趣，如有条件，预期开展发动机压缩系统、燃烧室系统、膨胀系统的气动数值研究，并将其与热防护传热问题相结合。

三、实验研究
1、实验研究背景
数值研究和实验研究在现在的科学研究中是相辅相成的，数值研究背景中的内容很多也同样是实验研究背景的内容，实验研究为数值研究提供基础，而数值研究又为实验研究提供指导。

目前超然冲压发动机主动冷却方面较为关注的实验主要有如下两个方面。

（1）主动冷却流道设计：其结构设计方向目前国外建立了结合试验研究的若干热分析计算研究程序，并在材料和加工工艺方面有领先地位。

考虑到超燃冲压发动机燃烧室的恶劣环境，壁面材料一般采用耐高温和抗腐蚀的镍基合金。

针对金属材料，目前冷却通道的制造采用蚀刻和机械加工两种方法，电化学技术可以替代传统的三氯化铁蚀刻溶液对镍基耐热合金进行蚀刻，但蚀刻过程中板上电流不均匀将导致蚀刻板边缘的通道比中心区域的深，还发现蚀刻过程中通道的角有变圆的趋势[19][20]。

与金属材料相比，超燃冲压发动机燃烧室使用复合材料（目前有C/C和C/SiC两种）主动冷却部件可减轻系统质量，降低结构复杂性，基于耐高温复合材料的复合主动冷却结构是一种极具应用潜力的解决方案[21]，法国、德国、美国、日本等相继开展了复合材料部件的开发验证工作，包括美国与法国合作的先进复合材料燃烧室（AC3P）计划、法国与德国合作的PTAH-SOCAR计划。

（2）碳氢燃料在超临界状态下的热物性：一是产物的成分分析，裂解的气态产物成分可以通过气相色谱仪进行分析，液态产物由于成分复杂，色谱分析的难度和误差均较大，有待改善[22]。

二是化学热沉的测量。

化学热沉与温度和滞留时间有关，中科院正在进行相关工作[22][23]。

三是对结焦的研究。

一般认为氧化结焦、金属和燃料反应形成纤维碳、裂解产物结焦是造成结焦的 3 个主要原因[24]，另外，燃料流体中存在的游离碳也会沉积在金属表面上产生碳沉积。

减少结焦的方法还在继续研究[25]。

2、实验研究设想
针对目前的实验研究背景，总结如下：
（1）目前国内的冷却流道设计局限于两个方面：一是加工工艺及材料研究滞后，二是从
全局热管理角度出发的流道研究较少。

（2）目前国内在碳氢燃料在超临界状态下的热物性局限于：一是测试技术的不匹配，裂解产物的分析、加热试验中温度与热流量测定都有待提高；二是工程应用研究多而机理研究少。

本人根据目前研究背景及个人能力，做出博士期间如下有关实验研究方向的研究设想：（1）基于目前研究所实验条件和科研项目，在超临界条件下碳氢燃料流动换热特性方面开展实验研究，并用于指导和支持数值研究以及程序开发，在此方向上预期发表一篇EI论文或SCI论文。

（2）基于目前研究所实验条件和科研项目，深入碳氢燃料裂解性质的研究，并用于指导和支持数值研究，在此方向上预期发表一篇EI论文或SCI论文。

（3）因个人对推进系统方向的兴趣，如有条件，预期开展发动机压缩系统、燃烧室系统、膨胀系统的气动实验研究，并将其与热防护传热问题相结合。

四、总结
本人通过简要分析目前的高温碳氢燃料冷却系统的研究背景，并考虑到个人的能力与局限，做出了数值研究和实验研究两方面的科研设想，由于缺少对研究前沿的把握和对报考研究所的深入了解，其科研设想必定存在诸多缺陷和实现较为困难的方面。

本人科研设想具体可归结为三个方面：一是超临界碳氢燃料流动换热特性的研究，包括数学模型的研究、实验研究及其与数值研究的对比、计算程序的开发；二是碳氢燃料裂解机理的研究，包括测试方法的改进、裂解产物的研究、有裂解的超临界碳氢燃料流动换热的数值研究；三是因个人兴趣预期开展发动机压缩系统、燃烧室系统、膨胀系统的气动研究，及其与热防护传热问题的结合。

参考文献
[1]Review and Evaluation of the Air Force Hypersonic Technology Program.1998(6).
[2]M.H. Naraghi. A computer code for three dimensional rocket thermal evaluation, user manual for RTE2002 version 1[R]. Tara Technologies, LLC, 2002.
[3]M.H. Naraghi. Dual Regenerative Cooling Circuits for Liquid Rocket Engines[R].AIAA 2006-4939. [4]Richard M, Traci John L, Farr Jr. and Laganelli Tony. A thermal management system model for the NASA GTX RBCC concept[R].
NASA/CR220022211587.
[5]Marc Bouchez, Emmanuel Dufour. Semi-empirical and CFD analysis of actively cooled dual-mode ramjets [R]. AIAA 2006-8073.
[6]Bouquet. C, Hauber. B, Thebault.J. Validation of a Leak-free C/SiC Heat Exchanger Technology [R]. AIAA 2003-6918.
[7]牛禄等. 层板推力室再生冷却通道的传热特性分析[J]. 推进技术, 2001, 22(4):290-294.
[8]李军伟,刘宇.一种计算再生冷却推力室温度场的方
法[J].航空动力学报, 2004,19(4):550-556.
[9]蒋劲,张若凌,乐嘉陵. 超燃冲压发动机再生冷却热
结构设计的计算工具[J],实验流体力学, 2006, 20(3):
1-7.
[10]Huang H, Sobel K.R., Spadaccini J. Endothermic Heat-Sink of Jet Fuels for Scramjet Cooling [J]. AIAA-2002-3871:1~7
[11]HeinrichB, Luc BouhaliA, Ser F, et al. Endothermic
liquid fuels: some chemical considerations on the cooling process [J]. AIAA-2001-1785:1~12
[12]Shikhman YuM, Vinogradov V.A., Yanovski V.A., et al. The demonstrator of technologies-Dual mode scramjet on hydrocarbon endothermic fuel [J].
AIAA-2001-1787:1~11
[13]鲍文,李献领,秦江,周伟星,于达仁. 碳氢燃料流动换
热与裂解反应的建模及仿真[J].工程热物理学报, 2011,10(10):1766-1771.
[14]Brad Hitch, Michael Karpukf. Experiment Investigation of Heat Transfer and Flow Instabilities
in Supercritical Fuels. AIAA-1997-3043:1~11
[15]Justin M. Locke, D. Brian Landrum. Uncertainty Analysis of Heat Transfer to Supercritical Hydrogen
in Cooling Channels [J]. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2005,4303:1~14
[16]Fengquan Zhong, Xuejun Fan, Gong Yu, et al. Heat Transfer of Aviation Kerosene at Supercritical Conditions [J]. AIAA.2009,23(3):543-550
[17]侯凌云,王慧,钟北京,国晓慧.超临界压力下乳化煤油
传热性能数值研究[J]. 推进技术.2006,27(2):488~491 [18]鲍文,李献领,徐志强,周伟星.超临界碳氢燃料流动换
热的仿真研究[J]. 热能动力工程. 2012,1(1):107~140 [19]Toshihito. Saito, Shuichi Ueda, Tsutomu Yamamura, and Yuzuru Sato. Experimental study on etching method for fabricating cooling passages in
combined-cycle-engine wall. AIAA 2007-2255.
[20]Toshihito Saito, Fumiei Ono, Osamu Hayasaka,
Shu-ichi Ueda, Jun-ichirou Tomike, Yoshio Wakamatsu. Heating Evaluation Test of a
Duct-shaped Cooling Structure Simulating Scramjet
博士研究生科学研究设想
Combustors. AIAA 2004-2174.
[21]Masao TAKEGOSHI, Fumiei ONO, Shuichi UEDA, Toshihito SAITO, and Osamu HAYASAKA. Evaluation by Rocket Combustor of C/C Composite Cooled Structure Using Metallic Cooling Tubes. ITST 2008-c-25.
[22]仲峰泉, 范学军, 王晶.超临界压力下航空煤油热裂
解特性研究[C]. 第一届高超声速科技学术会议文集.
云南丽江, 2008.185-191.
[23]X. J. Fan, F. Q. Zhong, G. Yu, and J. G. Li. Catalytic Cracking of China No. 3Aviation Kerosene under Supercritical Conditions. AIAA 2008-5130.
[24]马瀚英. 航天煤油[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2003
[25]贺芳, 禹天福, 李亚裕. 吸热型碳氢燃料的研究进
展[J]. 导弹与航天运载技术,2005(1): 26-29.
8。