超临界压力RP-3在竖直细圆管内混合对流研究

研究了超临界压力下碳氢燃料航空煤油RP-3在竖直细圆管内混合对流,分析了浮升力及热物性对碳氢燃料在垂直管中对流换热的影响。实验中控制热流密度从200~500 kW/m2变化,进口压力变化范围为3~5 MPa,进口雷诺数从5 000~10 500范围内变化。研究表明:在向上流动情况中进口段存在较为明显的入口效应,换热出现恶化现象,而在向下流动中未出现;对于向上和向下流动,由于热物性的综合影响,换热系数沿流动方向增大;在较低进口雷诺数(Re=5 700)时,对于向下流动,随着浮升力影响的增大,浮升力改变了流体径向速度分布,出现了换热强化;在较高进口雷诺数(Re=10 500)时,浮升力对换热的影响依然显著;判别式Bo*数小于5.6×10-7未能预测浮升力对碳氢燃料换热影响。      

旋转光滑U形通道内流动和换热的数值模拟

数值模拟了旋转状态下涡轮叶片U形内冷通道湍流流场和温度场的分布,分析了流阻和换热的变化规律.结果表明,旋转状态下哥氏力、离心力和浮升力的共同作用使得流场发生了复杂的变化.旋转强化了换热,减小了流阻.但旋转使得换热在各个面换热能力分布不均,增加了温度梯度.      

轴向通流旋转盘腔内流动不稳定性研究

为了研究旋转腔内流动不稳定性问题,采用旋转坐标系稳态方程,用数值模拟的方法分析了轴向通流旋转盘腔内的流动,得到了旋转系下哥氏力和离心浮升力分别对流动不稳定的作用,以及这两个力的非线性综合作用对流动不稳定的影响.结果表明:哥氏力是恢复力,不影响流动稳定性;离心浮升力是造成流动不稳定的主要因素,盘腔内的流动是离心力场下的Rayleigh-Benard对流和强迫对流的混合流,随着浮升力的增强流动由稳态发展为非稳态;哥氏力与离心浮升力的综合作用加剧了流动不稳定性,盘腔内r-θ面出现了明显的旋向相反的对涡.     

旋转附加力对方通道内流动与换热的影响机理

在雷诺数为25000,旋转数为0~0.24,温度比为0~0.22的范围内,数值模拟了旋转光滑径向出流通道的内流动与换热分布,分析了哥氏力与离心浮升力对旋转管流的耦合作用机理.计算结果表明,切向哥氏力推动了通道截面内的双涡二次流,径向哥氏力则使得近侧壁流体加速和中心流体减速.离心浮升力对流动与换热的作用效果与哥氏力场的分布密切相关.换热计算结果从定性趋势上吻合公开文献中的实验现象,反映了旋转附加力的基本影响规律.     

基于支板燃烧室的喷管化学非平衡效应

采用有限体积法全隐式格式和代用燃料C₁₂H₂₃的10组元13步化学反应Arrhenius有限速率模型研究煤油燃料超燃冲压发动机单边膨胀喷管(SERN, Single Expansion Ramp Nozzle)内的化学非平衡流动,通过建立支板燃烧室——喷管模型有效解决了单边膨胀喷管模型的"入口薄层"问题.计算结果表明,整个单边膨胀喷管内,流动呈现化学非平衡效应,喷管入口附近区域尤其显著;非平衡流动喷管性能明显高于冻结流动,随发动机当量混合比 ε增加,非平衡流动的喷管推力系数和升力系数相对冻结流动的百分比增量 δ不断升高,当 ε=0.8时,推力系数百分比增量 δ_CF达到9.41%,升力系数百分比增量 δ_CY达到16.39%,化学非平衡效应对煤油燃料超燃冲压发动机尾喷管性能的影响不可忽略.     

旋转状态下叶片前缘复合换热实验

通过液晶示温瞬态实验方法,对旋转状态下涡轮叶片前缘带气膜出流的冲击冷却结构的换热特性进行了研究,获得了哥氏力、离心力对复合换热效果的影响.实验参数:射流进口雷诺数R_e=4 000,旋转数R_o=0~0.139.实验结果表明:随着旋转数的升高,实验模型的整体换热效果逐渐减弱,在旋转数为0.139时,与静止状态相比冲击面平均努塞尔数Nu下降了33%,压力面和吸力面分别下降了20.5%和7.5%;哥氏力的作用加速了射流的扩散,是造成旋转换热减弱的主要原因;哥氏力和离心力的共同影响使得吸力面的换热好于压力面;气膜孔的存在改变了流动结构,极大的增强了孔周边区域的换热效果.      

旋流管强化传热与流体动力学试验研究

在螺旋槽管的基础上开发出一种新型强化管--旋流管,对5根不同结构参数的旋流管的换热特性和流体动力学特性进行了试验研究,用多元线性回归法得到了具有较高精度的旋流管的传热系数及摩擦系数的统计关联式,分析了影响旋流管传热与流阻性能的主要因素.结果表明,旋流管比同类型的强化管综合性能更优越,在相同传热量下,旋流管的换热系数比螺旋槽管高3%～8%,而压力损失低5%～10%.     

载人航天器舱内气压下降时的空气强制对流换热

为了在载人航天器的热控制中评估舱内气压下降对空气强制对流换热能力的影响,分析了空气流动参数和物性参数随舱内气压的变化规律,指出了已有的经验关联式中压力和换热系数的关系,并用数值方法进行了验证。分析结果表明空气强制对流的换热能力随舱内气压的下降而下降,当气压低于3.04×104Pa后,空气强制对流对设备散热的贡献已经非常有限。     

旋转数对凸表面气膜冷却影响的实验分析

采用圆弧模型,测量了旋转状态下凸表面气膜冷却效率 η _ad和换热系数 h _f的分布规律,重点研究旋转数 Rt=ωD/u_∞ 对气膜冷却的影响.叶片表面温度采用先进的液晶测温技术进行测量.结果表明:①在旋转离心力和哥氏力的共同作用下,气膜轨迹向高半径方向发生了明显的偏移,并且转速越高偏移角度越大;②旋转使得气膜冷却效率降低,换热系数上升;③在旋转状态下,气膜发生了分离再附壁的现象.     

热气防冰系统内表面弦向传热性能衰减规律

利用反向热流法实验研究了弦向3排射流喷口,且中央喷口正对前缘驻点结构下射流冲击热气防冰系统前缘内表面的局部传热特性。重点研究了喷孔射流出口雷诺数Re_j、笛形管相对于前缘的距离与孔径比Z_n/d、射流冲击驻点区弦向弧长与孔径比r/d对冲击前缘靶面的局部传热性能分布的影响。实验中Re_j范围为2.5×104~1×105,Z_n/d范围为1.736~27.5,r/d范围为13.21~61.5。结果表明,局部传热性能分布曲线为从驻点开始向两侧衰减的钟形曲线,包括稳定段、下降段和结束段3部分,其中稳定段只受参数r/d的影响,而参数Re_j、Z_n/d和r/d均能够明显影响下降段的下降速率,参数r/d则几乎不会改变下降段的总下降幅度。总结了此类喷口结构下射流冲击前缘换热性能衰减分布曲线的通用实验关联式,以指导防冰系统的设计和热性能的评估。      

矩形微槽内FC-72的单相流动和换热实验研究

微槽换热器是解决航空电子设备元器件热控制问题的一条有效途径.以新型电子设备冷却液FC-72为工质,利用4种不同结构尺寸的矩形微槽,进行了微槽内单相流动和强迫对流换热性能实验研究;分析了工质流速、过冷度以及微槽结构等对换热性能的影响,给出了适用于层流和紊流的单相流动阻力特性实验关联式和单相强迫对流换热实验关联式,并对实验结果进行了不确定度分析.结果表明,在矩形微槽换热器中,FC-72的单相强迫对流换热能力能够满足中高强度的电子设备散热要求.      

微重力下三角形微通道内冷凝换热分析

采用VOF模型和自定义函数的方法对三角形微通道内冷凝换热特性进行了数值模拟研究.为验证模型的合理性,将计算得到的传热系数与文献中经验关联式的结果进行对比.分析了重力和表面张力对气液界面分布和传热性能的影响.结果表明,重力对微通道内气液界面分布和截面平均传热系数的影响很小.表面张力在非圆形微通道内的冷凝过程中发挥主导作用.在表面张力作用下,更多的冷凝液流向尖角,使壁面附近液膜厚度变薄,传热阻力减小,传热系数增强.      

基于分数阶Maxwell模型的振荡流传热特性分析

经求解基于分数阶Maxwell模型的粘弹性流体在周期性振荡压力梯度下,圆直管内的运动方程和能量方程,得到了振荡管流换热的速度分布、温度分布以及热扩散系数的解析解形式.通过对无量纲热扩散系数的分析可知,影响粘弹性流体管内振荡流轴向换热的无量纲参数有:Womersley数Wo、Deborah数De、无量纲振幅Δx/R和流体普朗特数Pr.分数阶Maxwell模型振荡流传热也存在粘弹性流体流动中存在的共振现象,且共振峰的数量随De数的减小而增加,发生共振的起始频率随De数的减小而降低.共振峰值出现的位置即频率值与Pr和无量纲振幅Δx/R无关.     

毛细管束中层流粘性振荡流强化传热的若干问题

本文是作者从事振荡管流换热研究的总结。研究结果表明:流体在管内作轴向振荡运动时,可以极大地强化轴向的传热。本文给出了计及管壁效应的振荡管流换热的精确解析解,公布了变Pr数的实验结果。在此基础上,讨论了影响振荡管流轴向换热的6个无因次参数的物理含义,并指出其中的某些无因次参数在物理本质上就是傅里叶数的倒数的平方根,这将有利于理解振荡管流换热这种非定常换热过程。由本文的精确解析解,经过简化,可以得到国内外已公布的近似解。实验数据和解析解预言的基本规律符合很好。     

含内热源的多孔方腔流热耦合非正交 MRT-LBM数值模拟

针对含内热源的多孔方腔内自然对流现象问题,采用非正交多弛豫时间（MRT）格子Boltzmann方法进行了研究。分析了Rayleigh数（104 ≤ Ra ≤ 106）、内热源布局方式（水平、垂直及对角布局）、内热源几何尺寸大小（A=1/16,1/8,3/16,1/4）及两内热源间的间距（S=5/64,13/64,21/64）对流动传热的影响。结果表明:在Ra=104,105和S=5/64的情况下,任意内热源几何尺寸,内热源采用对角布局方式可获得更好的对流换热效果;在Ra=105,106和S=13/64,21/64的情况下,水平布局方式更优;在内热源采用水平布局,Ra=104的情况下,任意内热源几何尺寸,对流换热效果均随着内热源间距的增大而增强;而随着Ra增大,内热源几何尺寸减小,对流换热效果随着内热源间距的增大先增大后减小,而后随着内热源间距增大其对流换热效果减弱;对角布局也有相似规律,在其他条件一致的情况下,随着内热源几何尺寸的增加,其对流换热效果增强。      

航天器空间环境模拟器热沉热均匀性分析

通过建立传热数学模型以及求解,给出了空间环境模拟器中热沉热均匀性优化的结果。和其他以肋片为基础的辐射器不同,空间模拟器热沉主要是要尽可能的提高其热均匀性。因此,通过改变热沉的几何参数(热沉肋片长度、肋片厚度和液氮管半径)以及物理参数(液氮流速),进行了详尽的热沉热均匀性分析。在分析中发现,随着热沉肋片厚度的增加和长度的减小,以及流管内流速的增大,其热均匀性都有提高,但是热沉支管半径变化对热沉均匀性的影响并没有肋片长度和厚度以及液氮流速的影响那么明显。最后,根据数值计算结果给出了热沉优化设计参数取值范围和参考意见。     

不同重力条件下水平管内气液两相流流型及空隙率分布的数值模拟

基于VOF方法建立了不同重力条件下水平管内气液两相流动的三维非稳态数学模型并进行了数值求解, 研究了10-4g₀, 0.17g₀, 0.38g₀, 1g₀ (g₀=9.8m·s-2)四种重力条件下水平管内气液两流型及变化规律, 比较了不同重力条件下管内截面空隙率的分布和波动规律. 研究结果表明, 该模型能够正确预测不同重力条件下水平管内气液两相流的流型、截面空隙率和滑速比等重要参数; 同一气液两相表观速度工况下, 随着重力水平的升高, 气相更容易在水平管的上部积聚合并, 致使流型发生变化, 同时, 气液两相滑速比增大, 截面空隙率波动峰值的平均值下降, 波动频率降低; 而随着气液两相表观速度的增大, 两相混合工质内惯性力作用也随之增强, 这将削弱重力变化的影响.      

旋转蛇形通道内换热的非稳态实验

在旋转状态下,研究了涡轮内冷蛇形通道的非稳态换热特性.实验主要针对旋转状态下,通道内流量的变化和系统旋转速度的变化来进行的.结果表明:对于旋转通道的非稳态过程,换热系数的变化呈波动变化过程,且主要发生在实验参数变化的阶段.加速旋转时,角加速度力的作用会加强进气通道前缘面的换热,而降低后缘面的;减速旋转时,情况相反.而且,角加速度力的作用效果容易在旋转开始变化的时刻显现.当旋转速度在2个值之间往复时,换热系数变化呈现滞后环状,旋转速度越高滞后环越大.     

带肋变截面回转通道内流动与换热的数值模拟

开发了三维流动换热的通用计算程序,数值研究了带肋变截面回转通道内流动与换热的特性.湍流模型采用低雷诺数k-ε模型.通道肋间距为25mm,肋高分别为1mm,1.5mm,2mm,冷气进口雷诺数Re分别为7500,12500,18500,25000.计算结果表明:①通道的平均努赛尔数均随进口雷诺数的增大而增大;②对于Re=7500和12500,肋高越高,换热越强;对于Re=18500和25000,肋高为1.5mm的通道换热最强;③局部雷诺数的不同和离心力的影响导致通道内各区域的局部换热随肋高的变化趋势并不一致;在进口段,肋高越高,换热越强;在出口段,当Re=7500和12500时,肋高越高,换热越强,而当Re=18500和25000时,存在最佳肋高1.5mm.     

高超声速再入飞行器气动布局多目标优化

气动布局的多目标优化是飞行器设计中的关键技术。提出一种新的高超声速再入飞行器气动外形参数的多目标优化方法,证明外形优化对高超声速流下飞行器性能的影响。通过实例仿真对飞行器所受阻力和升力对制导性能影响进行详细验证分析,将飞行器落点圆概率偏差、末速大于500 m/s的占比、最大飞行过载小于60g的占比这3个性能指标作为优化目标,将升力特性作为中间参数,将气动布局优化问题分解为2个子问题,通过基于搜索算法的升力特性优化和基于改进的模拟退火算法的外形参数优化,减少优化计算时间、提升计算效率、实现对飞行器主体和襟翼的气动布局优化、获得高超声速流下的最佳飞行器外形。仿真结果表明：在确定的约束条件下,优化算法增加了飞行器在超音速流下的气动升力,有效提高了升阻比。在不影响最大飞行过载的前提下,优化后的飞行器表现出更高的气动性能,显著提升了命中精度,同时末速也满足指标要求,制导系统性能得到有效改善。