热防护技术是发展超燃冲压发动机的关键技术,采用超燃冲压发动机的燃料作为冷却剂的再生冷却技术是保证发动机稳定运行的最可靠热防护技术。再生冷却过程中,除了利用燃料的对流换热吸热能力以外,燃料的吸热型热裂解反应将提供额外的化学吸热能力。为了满足高马赫数飞行器的冷却需求,需要进一步利用高裂解率碳氢燃料的热沉,但高裂解率下裂解产物之间的二次吸热反应和二次放热反应使得通道内的对流换热机理更加复杂,为研究高裂解率碳氢燃料的传热传质特性带来了巨大困难。本文针对超临界条件下高裂解率碳氢燃料的传热传质特性以及体积力和通道截面几何参数对高裂解率碳氢燃料传热传质的影响开展了相关研究。建立超临界条件下高裂解率碳氢燃料的传热传质和化学反应数值模型,在完成数值模型验证之后,在此基础上,分析了化学反应对高裂解率碳氢燃料传热传质的影响。低裂解率碳氢燃料主要发生吸热型热裂解反应,燃料的吸热能力增强,换热系数升高;然而对于高裂解率碳氢燃料,燃料热裂解吸热能力随着燃料浓度的降低而下降,同时裂解产物之间的二次放热化学反应速率高于二次吸热化学反应速率,造成燃料的换热系数降低,通道内形成了一个由放热化学反应引起的传热恶化区域,相比于传热恶化起始点,换热系数最大下降5.17%。同时,二次化学反应生成大量的结焦前驱体,容易在通道内壁面上发生积聚。随着压力和壁面热流密度的升高,通道内的传热恶化变得更加剧烈,同时传热恶化区域随着压力的升高向与流动相反的方向移动,结焦前前驱体浓度增加,容易在壁面发生积聚。入口质量流量的增加可以减弱传热恶化程度,但是增加了结焦前驱体浓度,使其容易在壁面发生积聚。在浮升力效应影响显著的竖直冷却通道内,浮升力减小了向下流动燃料的热分层和化学反应分层,通道壁面温度降低,换热系数上升,同时浮升力可以抑制结焦前驱体在壁面上的积聚。与不考虑浮升力相比,燃料换热系数最大相差7.68%,结焦前驱体浓度最大相差3.29%。浮升力增强了向上流动燃料的热分层和化学反应分层,通道壁面温度升高,换热系数下降,同时结焦前驱体更容易在壁面上发生积聚。与不考虑浮升力相比,燃料换热系数最大相差11.74%,,结焦前驱体浓度最大相差6.15%。此外,随着燃料入口裂解率和壁面热流密度的升高,浮升力对高裂解率碳氢燃料传热传质的影响减弱。在单面加热水平矩形冷却通道中,浮升力在通道截面处引发二次流,增强了燃料的吸热能力,抑制壁面结焦前驱体的积聚。二次流强度使得不同加热方式的矩形冷却通道内传热传质特性出现显著的差异:下壁面加热的冷却通道二次流强度最强,燃料换热系数最高,加热壁面温度最低,近壁面区域结焦前驱体浓度最低,结焦前驱体最难在下壁面加热的通道内发生积聚。而上壁面加热的冷却通道内二次流强度最弱,燃料换热系数最低,加热壁面温度最高,近壁面区域结焦前驱体浓度最大,结焦前驱体最容易在上壁面上发生积聚。与不考虑浮升力的工况相比,下壁面加热、上壁面加热和侧壁面加热的冷却通道平均换热系数分别上升13.24%、5.39%和11.68%,结焦前驱体浓度最大相差32.63%、19.64%和4.32%。而同时,与燃料的非裂解区不同,随着系统操作压力的上升,浮升力的影响增强。此外,高裂解率条件下,随着裂解率的升高,燃料速度增大,惯性力增强,导致浮升力对由放热反应引起传热恶化的影响减弱。弯曲管道区域内离心力引发的涡结构作用增强了壁面与中心流区域之间的传热传质,与直冷却通道相比,弯曲通道的热边界层更薄,裂解率更高,燃料的换热系数更大。在弯曲通道出口处,燃料的裂解率提高了15.69%,换热系数上升了80%,同时近壁面区域结焦前驱体的浓度下降了40%,涡结构可以有效地抑制壁面上结焦前驱体的积聚。在上述研究规律的基础上,探索了适用于高裂解率碳氢燃料的冷却通道几何参数。冷却通道高宽比的变化,使得低裂解率和高裂解率碳氢燃料呈现出不同的传热传质特性。对于低裂解率碳氢燃料,随着高宽比的增大,肋效应影响增强,碳氢燃料的吸热能力增强,换热系数上升,近壁面区域结焦前驱体浓度降低,抑制了壁面上结焦前驱体的积聚。因此低裂解率条件下,增大冷却通道高宽比有利于燃料的传热传质。而随着冷却通道高宽比增大,高裂解率碳氢燃料的热分层和化学反应不均性增强,燃料的吸热能力下降,换热系数降低,通道壁面温度升高,近壁面区域结焦前驱体浓度升高,更容易在壁面上发生积聚。同时,由放热化学反应引起的传热恶化变得更加剧烈,而且传热恶化区域增大。因此高裂解率条件下,减小冷却通道高宽比有利于燃料的传热传质。