超临界压力下碳氢燃料在竖直圆管内换热特性

以国产航空煤油RP-3为对象研究了超临界压力下热流密度和进口温度对碳氢燃料在竖直向上管和竖直向下管的换热特性的影响.实验中热流密度变化范围为300~600kW/m2,进口温度变化范围为293~723K,压力及流量分别保持为5MPa以及3g/s.研究表明:在所有实验工况下,实验进口处将首先出现换热恶化现象,之后随着热边界层的充分发展换热逐渐增强;当管内流体状态从超临界压力液态过渡到超临界状态,由于物性的显著变化将导致换热沿管程方向得到显著强化.当进口油温超过其拟临界温度后,由于碳氢燃料吸热能力迅速降低导致管内出现了换热恶化.对于竖直向上流与竖直向下流,即使浮升力判断因子的值小于10-5,浮升力的影响仍然不能忽略.最后,在实验结果基础上,提出了超临界压力碳氢燃料在微细管内流动的强迫对流换热经验关系式.      

超临界压力下航空煤油水平管内对流换热特性数值研究

采用RNG(renormalization group)k-ε湍流模型和近壁区的Wolfstein一方程模型对超临界压力下大庆RP-3航空煤油在水平圆管内的流动和换热特性进行了数值研究.超临界压力下,由于航空煤油在拟临界点附近热物性的剧烈变化,浮升力将引起显著的二次流动.二次流动使得水平圆管的下表面湍流强度和对流换热增强,而上表面的湍流强度和对流换热减弱.最后分析了两种水平管内对流换热受浮升力影响判别标准在超临界流体中的适用性.      

压力对超临界碳氢燃料换热恶化影响的数值研究

为了研究竖直管道内压力对超临界碳氢燃料换热恶化的影响,采用数值模拟的方法,选择RP-3的四组分替代模型和LS低雷诺数湍流模型,分别从浮升力和物性的角度深入分析压力作用机理,并对比了直径2mm与10mm管道内压力的作用效果。各工况下计算结果与实验数据基本吻合,证实了计算方法的准确性。数值模拟结果表明:不考虑裂解结焦的情况下,系统压力超过5MPa后,碳氢燃料物性随温度变化趋于平缓,密度及比热容在管内不均匀性得到改善,同时壁面附近比热容平均值增大,使得管内换热恶化得到有效缓解;而在直径10mm管道内,热流从壁面到主流区传播减慢,管壁与管道轴心处流体温差最大可达300K,物性不均匀现象加剧,增大压力对换热恶化的缓解效果被削弱。     

倾斜圆管内超临界RP-3流动换热特性数值研究

采用数值模拟方法对倾斜圆管内超临界RP-3的流动换热特性进行研究,以获得倾斜角度对流动换热的影响规律及作用机理。物性参数由RP-3的四组分替代模型获得,湍流模型选择LS低雷诺数k-ε模型,通过计算结果与实验数据的对比保证计算方法的准确性。分析倾角为45°的圆管内壁温轴向及周向分布变化规律,发现浮升力引起的截面内二次流与热加速效应分别导致两次壁温峰值的出现,而质量流量由0.3g/s增加至0.9g/s过程中,浮升力作用效果减弱,湍流强度增大,两次峰值先后消失;在垂直流向与沿流向浮升力综合作用下,-90°~90°不同倾角管内表现出不同换热规律。     

竖直圆管内浮升力对超临界碳氢燃料裂解传热传质特性的影响

为了探究再生冷却过程中,浮升力对竖直圆管内超临界碳氢燃料裂解传热传质特性的影响,基于详细裂解反应动力学模型,建立了同时考虑碳氢燃料流动传热和裂解吸热的耦合算法,在此基础上对竖直管道内,浮升力对超临界RP-3的流动、传热和裂解反应的影响展开了数值研究。计算结果表明：与不考虑浮升力的情况相比,在浮升力影响显著的条件下,浮升力增强了向下流动的碳氢燃料壁面处与中心流区域的传热传质过程,燃料温度和裂解率的径向分布更加均匀,燃料吸热能力增强,换热系数上升,同时可以有效地抑制管道壁面上结焦的生成;而对于向上流动的流体,浮升力不利于壁面处与中心流区域的传热传质,导致冷却通道内碳氢燃料温度和裂解率径向分布的不均匀性增强,燃料吸热能力降低,换热系数下降,同时增加了管道壁面上的结焦量;同时,为了更好地理解浮升力的影响,本文还对不同壁面热流密度下向上和向下冷却通道内超临界碳氢燃料的裂解传热特性进行了分析;判别式Bo^*<6.0×10^-7不能准确地预测竖直管道内浮升力对超临界碳氢燃料裂解换热的影响。     

旋转条件下超临界压力正癸烷径向入流时的对流换热

针对超临界压力流体在发动机涡轮叶片再生冷却技术中的应用，对超临界压力正癸烷在旋转状态下的径向入流管内对流换热和流动进行了研究，分析了哥氏力、浮升力与流动加速对换热的影响规律，提出了适用于旋转条件下超临界压力流体对流换热的同时考虑重力浮升力与旋转浮升力的浮升力无量纲准则数。研究表明：高转速条件下（500r/min以上），浮升力主要由离心力产生且处于强化区，增强对流换热；流动加速主要由压降产生，削弱对流换热；浮升力、流动加速、哥氏力均随转速增大而增大，共同作用下对流换热也随转速增大而增大。1500r/min下平均Nu数约是500r/min的1.5倍，约为静止的2～4倍。     

旋转条件下超临界压力正癸烷径向入流时的对流换热

针对超临界压力流体在发动机涡轮叶片再生冷却技术中的应用,对超临界压力正癸烷在旋转状态下的径向入流管内对流换热和流动进行了研究,分析了哥氏力、浮升力与流动加速对换热的影响规律,提出了适用于旋转条件下超临界压力流体对流换热的同时考虑重力浮升力与旋转浮升力的浮升力无量纲准则数。研究表明:高转速条件下(500r/min以上),浮升力主要由离心力产生且处于强化区,增强对流换热;流动加速主要由压降产生,削弱对流换热;浮升力、流动加速、哥氏力均随转速增大而增大,共同作用下对流换热也随转速增大而增大。1500r/min下平均Nu数约是500r/min的1.5倍,约为静止的2～4倍。     

多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的数值研究

为深入理解多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的特性，基于开源计算软件OpenFOAM对超临界RP-3的流动换热过程进行数值模拟。采用广义对应状态法则对碳氢燃料替代模型的物性进行计算，湍流模型选用SST(shear stress transport)k-ω湍流模型。与实验数据比较，热流密度为300~400kW/m2内的计算壁温平均误差小于3%。研究分析了换热恶化机理，讨论压力、进口温度、热流密度与质量流量之比对RP-3换热特性的影响。结果表明:拟临界温度附近RP-3热物性的剧烈变化是强制对流下发生换热恶化的主要原因；提高压力、降低热流密度与质量流量之比或减小进口温度是避免流体在拟临界温度附近发生换热恶化的有效措施；提出了换热恶化预测关联式，为主动再生冷却技术提供参考。      

竖直圆管内超临界碳氢燃料换热恶化的直径效应

利用Fluent对超临界压力下直径对碳氢燃料换热恶化的影响进行数值研究,湍流模化采用Launder-Sharma（LS）低雷诺数模型,物性采用广义对应态法则对RP-3替代燃料计算。计算条件：系统压力为3 MPa,进口温度为573 K,热流密度为500 kW/m²,质量流量为0.001 5和0.003 0 kg/s,直径范围为1~10 mm。正常换热条件下的计算壁温和实验结果基本吻合,证明了计算方法的准确度。结果表明：强制对流下小质量流量时直径越大,换热恶化程度更高且更提前发生,换热恶化是由定压比热容处于极大值后的急剧下降区导致的,大质量流量时直径与壁温成正比,无换热恶化发生;浮升力效应仅在小质量流量下起作用,随着直径增大而加强,给出RP-3流动换热时浮升力起作用的判据和不同直径下换热恶化的边界。     

浮升力对航空煤油传热流动影响的数值研究

不同重力条件下,浮升力对航空煤油再生冷却效果会带来不同影响。建立 RNG k-ε 湍流三维模型,通过同等条件下与他人实验和模拟得到的壁面温度对比验证该模型;针对航空燃油 RP-3 在不同重力条件下水平管内的浮力诱导的温度分布、二次流速度、对流传热系数和湍动能的变化,研究重力条件变化时航空燃油浮升力对传热流动的作用机制。结果表明：重力加倍增大将导致浮升力对流的影响显著增强,并且湍动能随之非线性增加,对流传热系数呈现出明显的提升;重力条件改变时,重力方向上浮升力诱导的二次流发生了复杂的演变,对流传热系数呈现出先减小后增大,最终再减小的变化趋势;当航空燃油温度超过超临界温度时,对流传热系数发生突变,同时造成管壁温度出现显著差异。     

超临界压力下航空煤油传热恶化判别准则

为防止航空发动机热防护中的传热恶化现象，对竖直上升圆管内超临界压力RP-3航空煤油的换热开展了实验研究。着重考察了热流密度、进口压力、进口温度等运行参数对传热恶化的影响。探究了传热恶化特性，获得了传热恶化起始条件判别准则。进一步分析了浮升力和热加速对传热恶化的影响，建立了适用于航空煤油新的浮升力和热加速判别准则，以及考虑两者影响的换热关联式。结果表明：航空煤油传热恶化出现在Nu/Nu₀<0.5的条件下。以此作为依据，当浮升力因子Bu>1.6×10^-6或热加速因子Ac>3.3×10^-6时，引发传热恶化现象。换热关联式兼顾了浮升力和热加速影响，具有较高的预测精度。     

超临界压力下正癸烷在水平矩形冷却通道内的流动传热数值模拟

为了研究浮升力效应对超燃冲压发动机燃烧室不同位置冷却通道传热特性的影响,对超临界压力下正癸烷在水平矩形冷却通道内的流动传热-固体导热耦合过程展开了详细的数值模拟研究。重点考察了燃烧室不同位置的冷却通道中浮升力对温度以及热流分配的影响及其机理。结果表明：由浮升力引起的二次流动使燃烧室不同位置的冷却通道温度分布和热流分配呈现显著的差异;浮升力提升了燃烧室不同位置冷却通道的换热效果,其中受热方向和重力作用方向相同的冷却通道换热性能提升得最多;修正的Jackson&Hall经验公式不能预测浮升力对冷却通道壁面对流换热的影响,需要寻找其他的经验公式或使用CFD手段进行计算分析来解决这一问题。     

浮升力对竖直上升圆管内超临界航空煤油换热的影响及评价准则

为深入理解航空发动机再生冷却热防护中的换热机理,对竖直上升圆管内超临界压力RP-3航空煤油的传热恶化开展了实验研究。探究了两类传热恶化的换热特征和形成机理,考察了热流密度、质量流量和进口压力对传热恶化的影响机制。获得了两类传热恶化的起始条件判别准则。以Nu/Nu0=0.75作为依据,建立了浮升力影响评价准则。通过格拉晓夫数修正实现了换热关联式预测。结果表明：两类传热恶化出现在不同条件下,低温区传热恶化源于边界层转捩和浮升力的综合作用,当进口雷诺数高于5730时其不再出现;高温区传热恶化的临界热流密度可以表述为质量流量的函数关系。当浮升力参数Grb/Re2.7和Gr/Re2分别高于10-7、10-3时,浮升力作用不可忽略。改进的换热关联式具有合理的预测精度,满足热防护系统设计的工程运用。     

螺旋管内超临界CO2流动方向对换热的影响

应用重正化群（RNG）k-ε湍流模型对超临界CO₂流体在内径为9 mm,有效受热长度为5.5 m,节距为32 mm,绕径为283 mm的竖直螺旋管中的加热过程开展了数值模拟。研究了质量流速、进口压力、热通量以及不同流向对超临界CO₂换热和压降的影响,并进一步分析变物性、浮升力和离心力在不同流动方向上对螺旋管中换热的耦合作用。结果表明：浮升力对超临界流体在螺旋管向上流动与向下流动的影响差别不大,而对水平流动的影响较大尤其是当流体在螺旋管的截面到入口截面的距离与管径之比为150～350之间（即临界温度附近）时,由于变物性、浮升力和离心力的耦合作用,导致水平流动方向上换热系数的震荡。     

超临界压力下正庚烷的湍流传热数值研究

 应用修正的对应态方法、基本的热力学关系式和Soave-Redlich-Kwong(SRK)状态方程计算了超临界压力下流体的传输物性和热力学性质,并将这些普适性的物性计算方法与计算流体力学（CFD）数值模型相结合,针对火箭推进系统、高超声速飞行器相关的超临界传热和发动机冷却现象,在准确考虑热力学性质和传输物性变化情况下,系统地研究了一种典型的碳氢燃料——正庚烷在超临界压力下的湍流传热现象,详细分析了超临界压力对流动和传热的影响,揭示了对流换热努塞尔数的变化规律,并将数值模拟计算结果与已有经验公式进行了比较。计算结果显示在超临界压力下,努塞尔数随着压力的降低而降低,并且在临界区域附近会出现湍流传热的恶化和波动现象。     

超临界压力下航空煤油RP-3焓值的测量及换热研究

基于能量守恒原理提出了一种超临界压力下中国3号喷气燃料RP-3焓值的测量方法,同时对不同超临界压力下RP-3在323～843 K内的焓值进行了测量.结果表明当燃油温度低于其临界温度时,不同超临界压力下燃油的焓值几乎是一样的,当温度高于临界温度后,不同压力下RP-3焓值之间的差异随着压力的升高而缩小.另外,根据焓值曲线计算出的燃油温度及吸热量与先前已做的其他流动与换热实验中的测量数据进行了对比,结果表明该焓值是准确可靠的,满足未来航空发动机内空油换热器的设计要求.最后,研究了热流密度对超临界煤油换热的影响,结果显示当燃油对比温度小于1.179（760 K）时,Nu数随着热流密度的增加而增加.      

催化重整条件下碳氢燃料热裂解与换热

针对碳氢燃料在再生冷却通道内的热裂解和催化重整反应过程,考虑燃料在超临界压力下的热物性,建立了超临界压力下的流动、换热和反应模型,开展了流动换热、热裂解和催化重整反应的耦合数值研究。结果表明:计算结果与实验吻合良好,能较为准确地预测壁面和燃油温度、燃料转化率和换热恶化等现象。催化重整反应能显著提高燃料的吸热能力,降低出口温度,同时还能抑制热裂解反应的发生。增大流量会降低燃料在通道内的停留时间,降低燃料的转化率和化学反应吸热量。