超临界压力下航空煤油在并联管中流量分配特性

研究了超临界压力下国产航空煤油RP-3在竖直并联U型管中的流量分配特性,分析了工质温度、系统压力以及加热热流密度不对称性对流量分配特性的影响规律.其中实验段内、外径分别为1.8mm和2.2mm, 实验中质量流量保持为4g/s,系统压力变化范围为3~5MPa,热流密度变化范围为q=60~240kW/m2. 实验结果表明:较低系统压力下,等热流密度加热至管路油温达到拟临界温度附近时会诱发支管流量的较大变化,从而导致并联管系统各支路流量的重新分配;加热不均对支路流量的影响非常显著;另外,提高系统压力可以有效抑制并联管系统中各支路流量分配失衡,增强系统的稳定性.      

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。     

带主动冷却的超声速燃烧室传热分析

介绍了流体、固体传热耦合的一维分析方法,对带主动冷却系统的马赫数2.5超声速燃烧室进行了传热分析。该分析以实验测量的燃烧室壁面静压以及超临界煤油换热特性数据为基础,考虑了燃气的高温离解效应,燃烧特性以及碳氢燃料的高温热物理特性,对不同燃烧状态、冷却条件下的主动冷却过程进行了分析。结果表明有燃烧时壁面热流可高达1MW/m2以上,是无燃烧时的2～3倍。当煤油流量较小时(当量比为0.45),冷却后的壁面温度仍偏高,而且冷却壁内温度分布不均匀。随着煤油流量的增加,冷却效果明显提高,冷却壁内温度分布趋于均匀;并且煤油的出口温度也显著减小。     

液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热研究

为了预测液体火箭发动机推力室的复合冷却性能,建立了推力室再生冷却通道和超临界氢的三维仿真模型以及推力室内燃气和超临界氢膜的轴对称二维仿真模型。通过边界耦合发展了液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热的数值仿真方法。对航天飞机主发动机推力室内部燃气、超临界冷却膜、室壁和再生冷却剂进行了流动与传热耦合计算仿真研究。研究表明,仿真方法可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热,计算得到航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为129MW/m2,最高壁温为885K,冷却剂温升为192K,压降为8.8MPa,结果与已有数据吻合较好。模型和仿真方法可用于液体火箭发动机推力室冷却系统传热计算和冷却结构的优化设计。     

叶尖间隙控制系统供气部件特性及模拟方法

针对低压涡轮叶尖间隙控制系统中典型供气管路，即圆形截面90°弯曲冷却管，开展其工作特性和模拟方法研究.通过1∶1单管模型试验结合三维数值模拟方法，研究了冷却管上冲击孔的出流特性，分析了进气参数、冲击孔排布对冷却管内气体流动及流量分配的影响规律.在此基础上，提出了基于冲击孔进口有效总压概念的冷却管一维网络流动计算模型，建立了低压涡轮叶尖间隙系统中典型供气管路的一维网络流动计算方法，并应用于某型发动机组件流量特性试验设计中.研究中发现，随着远离进口位置，冷却管冲击孔出流流量和冲击孔流量系数逐步增加；随着进口雷诺数的增加，冷却管内冲击孔出流流量均有所增加，而冲击孔流量系数基本保持不变.试验数据和计算结果比对表明，所建立的一维网络流动计算模型可以准确模拟出冷却管的出流特性，计算结果同组件流量特性试验数据之间最大相对误差为4.5%，在叶尖间隙控制系统这类系统复杂流路的流动问题分析中具有良好的应用效果.      

超临界压力低温甲烷波纹管内强化换热数值研究

以发动机主动再生冷却系统为研究对象,建立了碳氢燃料热物性高精度计算方法,在此基础上对超临界压力下低温甲烷在水平波纹管内的流动换热现象展开数值研究,初步分析了波纹管强化换热机理。进一步系统研究了波纹管节高比、管壁材料导热系数、壁面热流密度、入口压力以及雷诺数对强化换热和阻力特性的影响,并采用综合换热性能评价准则对各种因素的影响进行评价。研究表明:在超临界压力下合理选择波纹管可以显著提升换热能力,消除传热恶化现象,并且不会带来明显的压降损失;存在一个最优波高和最佳雷诺数,使波纹管具有最优的综合换热性能;增大管壁材料导热系数和甲烷入口压力可提高换热能力。     

碳氢燃料热声不稳定流动特性和边界实验分析

为保障空-油换热器安全稳定运行,对竖直上升圆管内超临界压力航空燃料的热声不稳定流动进行了实验研究。阐述了管壁温度的振荡特征和热声不稳定流动的诱发原因。考察了运行参数对流动稳定工况和流动不稳定工况界限的影响。取相邻流动稳定工况和流动不稳定工况的热流密度平均值作为边界,分析了该边界随进口拟过冷度的变化情况。通过临界拟相变数和拟过冷度数的比值表征,建立了热声不稳定流动边界与进口雷诺数和相对压力关联的预测准则。结果表明:拟沸腾效应导致了热声不稳定流动现象。进口温度和运行压力越低,热声不稳定流动越容易出现。提出的边界预测准则具有较高的精度,与实验结果的相对偏差在±15%以内。     

流场不均匀对液体火箭发动机纵向振荡燃烧影响及控制

针对常温推进剂发动机推力室再生冷却和撞击式喷注器结构,分析了推力室身部与喷注器对接部位的流场特性,对流场均匀性进行了实验测量。结果表明：推力室身部再生冷却通道出口压力存在约0.15 MPa周向不均匀。身部出口节流显著提高局部流速,使喷注器面氧化剂湍流度和不均匀性增加,进而改变燃烧特性。通过撞击喷注单元雾化试验,获得了18 m/s的推进剂入口边界流速。基于喷注器流场均匀性,提出控制推进剂流速,降低不均匀性,进而抑制纵向高频燃烧不稳定性的控制方法。发动机热试结果表明,采用（15±1） m/s的推进剂入口流速,控制方法抑制了纵向高频燃烧不稳定性。     

火箭发动机燃烧室液膜-再生复合冷却数值仿真

对液体火箭发动机燃烧室液膜-再生复合冷却进行了数值计算,针对液膜-燃气流场区多组分、轴对称Navier-Stokes(N-S)方程和再生冷却区单组分N-S方程进行求解,并使用k-ε方程求解湍流流动.对文献中的某液氧/煤油火箭发动机燃烧室进行了数值模拟,该模型的计算结果能够与文献中的计算结果较好地吻合.计算结果表明:①液膜-再生复合冷却能有效地减少壁面热流密度和降低壁面温度,且其形成的冷气边区覆盖了整个燃烧室及喷管壁面;②再生冷却液入口质量流量越大,复合冷却作用越明显,壁面温度越低;③随再生冷却液质量流量的不同其温升在450~600K之间,且质量流量越大,再生冷却液的温升越小.④壁面煤油的质量分数不断下降,在喷管出口壁面处达到最低值,但含有煤油的区域不断变大.      

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。      

螺旋管内超临界航空煤油流动阻力特性

研究了系统压力、质量流速及螺旋管结构形式对超临界压力下航空煤油RP-3在螺旋管内的流动阻力特性.实验结果表明:螺旋管局部阻力系数变化曲线由螺旋管内流体临界雷诺数、拟临界温度分为明显的3个部分:工质温度低于拟临界温度且管内雷诺数小于螺旋管临界雷诺数时,局部损失系 数与雷诺数和螺旋直径与管径比D/d_in相关;流体温度低于拟临界温度且雷诺数大于临界雷诺数时,局部阻力系数只与D/d_in相关; 流体温度大于拟临界温度时,局部阻力系数除与雷诺数和D/d_in相关外,同时还与密度、黏性的大幅变化相关.另外,基于实验结果,提出了一种用压力、温度和螺旋直径与管径比进行修正的局部阻力系数关联式,拟合结果与实验结果相比,具有较好的一致性.      

超临界压力航空煤油不稳定流动实验

对竖直上升圆管内超临界压力航空煤油的不稳定流动开展了实验研究。考察了管内壁温度、质量流量、出口温度、进出口压差等参数随时间的振荡情况,阐述了不稳定流动的诱发原因和反馈机制,建立了不稳定流动临界热负荷的预测关系式。结果表明:不稳定流动工况中发现了管内壁温度和进出口压差的异常波动。边界层发展过程中传热恶化形成类气膜是不稳定流动的诱因,存在两种类型的反馈机制:一方面,类膜态沸腾和类核态沸腾交替引发恶化换热和强化换热,导致热力不稳定;另一方面,压力扰动出现声波,压缩波使类气膜厚度减小且传热改善,膨胀波使类气膜厚度增大且传热变差,导致声波不稳定。两种反馈机制的综合作用形成热声振荡现象。      

Numerical investigation of pyrolysis effects on heat transfer characteristics and flow resistance of n-decane under supercritical pressure

Pyrolysis of hydrocarbon fuel plays an important role in the regenerative cooling process. In this article, a Two-Dimensional (2D) numerical model is proposed to investigate the pyrolysis effects on the heat transfer characteristics and flow resistance of n-decane under supercritical pressure. The one-step global pyrolytic reaction mechanism consisting of 19 species is adopted to simulate the pyrolysis process of n-decane. The thermophysical and transport properties of the fluid mixture are computed and incorporated into the numerical model for simulation. Comparisons between the current predictions and the open published experimental data are carried out and good agreement is achieved. In order to better understand the complicated physicochemical process, further investigations on the turbulent flow and heat transfer coupled with pyrolysis in a tube have been performed under various operating conditions. The results indicate that the pyrolysis intensively takes place in the high fluid temperature region. The occurrence of the heat transfer deterioration would lead to increasing n-decane conversion at the beginning of the heated section. It is found that the pyrolysis could improve the heat transfer deterioration and promote the heat transfer enhancement. Meanwhile, pyrolysis gives rise to an abrupt increase of flow resistance. The mechanisms of the physicochemical phenomena are also analyzed in a systematic manner, which would be very helpful in the development of the regenerative cooling technology.     

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。     

通道截面形状对碳氢燃料流量分配的影响

关注超燃冲压发动机冷却通道截面形状对碳氢燃料流量分配的影响,以平行四边形通道为例和矩形通道进行对比,对并联通道中碳氢燃料流动换热过程进行了三维数值建模。结果表明:不同高宽比下,平行四边形通道相比矩形通道具有更大流固间换热面积,因而在流量分配和冷却效果方面都优于矩形通道,加热面壁温峰值降幅最大可达226 K。通道倾角对流量分配也有重要影响,大通道倾角能实现更合理的流量分配和冷却效果;倾角从105°增加到150°时,加热面壁温峰值降低了287 K。在非理想分汇流布置(以U型分汇流布置为例)和非均匀热流条件下验证了平行四边形通道设计,说明了此设计的实用价值。研究结果对超燃冲压发动机冷却通道设计有一定参考意义。      

超（近）临界压力航空煤油RP-3的拟过冷沸腾传热特性

为了研究吸热型碳氢燃料在新型飞行器中的再生冷却性能,采用电加热方式,在热流密度0.1-1.0MW/m2和质量流速500-1000kg/m2s条件下,小通道圆管内（D=1.6mm）研究了超（近）临界压力下（P=3MPa）航空煤油RP-3的拟沸腾流动传热特性。研究发现了超（近）临界压力航空煤油的拟过冷沸腾传热现象。拟过冷沸腾壁温变化特征和传热恶化特征与亚临界压力下的相应特征存在差异。超临界压力航空煤油传热区域划分为类液态强制对流传热区、拟过冷沸腾区和类气态强制对流传热区。拟过冷沸腾壁温和传热系数随流体温度增加而缓慢增加,起到传热强化的作用;拟临界温度区域,存在传热系数极小值点,燃料发生传热弱化;燃料温度大于拟临界温度,燃料处于超临界类气态,传热大幅强化。     

燃烧室新型席壁结构的壁温计算

建立了考虑壁面纵向导热的计算席壁壁温的七热流模型。提出了求解该模型的方法, 并考虑物性参数随温度的变化等因素, 据此, 分别对设计状态和实验状态下的席壁火焰筒的内外壁温的分布进行了计算, 并与原型气膜冷却的壁温分布及实验值进行了比较。计算结果表明, 与实验值基本吻合, 并表现出良好的冷却性能。其冷却空气量比原型节省20%左右, 壁温明显低于原型, 且沿轴向分布均匀, 因而可望较大地提高火焰筒的使用寿命或涡轮前燃气温度。      

前缘气膜孔布局对涡轮转子叶片流动传热的影响

为了研究不同前缘气膜孔布局对叶片内部冷却系统、温度场分布的影响,针对某典型冲击-对流-气膜复合冷却高压涡轮转子叶片,保持叶片主体冷却结构不变,通过改变叶片前缘各列气膜孔的数量形成5种结构方案,完成了1维流动换热及3维有限元温度场计算。并模拟发动机工况,试验研究了叶片内腔流量特性、叶片中下部2个截面的平均冷却效果随压比、流量比的变化规律。计算及试验结果均表明:涡轮转子叶片前缘气膜孔数量及布局对叶片前腔冷气量、前缘温度分布影响明显,而对后腔冷气量、尾缘温度影响较小。     

RP-3航空煤油物理替代燃料模型及应用研究

针对现有物理替代燃料构建方法需要大量实验数据来完成多目标优化计算,导致替代燃料构建成本过高的问题,提出了基于分子结构相似来构建物理替代燃料的方法。基于直接匹配分子结构和官能基团的思路,构建了一个能描述RP-3航空煤油主要物理性质的三元替代燃料模型。以正十二烷、2,5-二甲基己烷和甲苯为基础燃料,用以匹配目标燃料的四种官能基团:CH_3,CH_2,CH和苯基。在不同压力、温度条件下测试了替代燃料模型计算密度、黏度、比热容和导热系数等物性参数的精确性,结果表明该替代燃料模型能很好地反映RP-3航空煤油在亚临界到超临界状态下的主要物理性质。最后将得到的替代燃料模型应用于管道对流换热数值模拟中,用以模拟航空煤油再生冷却过程。模拟值与实验值吻合良好,证明了本文替代燃料构建方法的有效性和实用性。     

RP-3航空煤油综合替代燃料模型构建

基于直接匹配分子结构和官能基团的思路,选取正十二烷、2,5-二甲基己烷、1,3,5-三甲基苯和十氢化萘作为基础燃料,为RP-3航空煤油构建了替代燃料模型。物理替代验证表明该替代燃料模型能很好地反映RP-3航空煤油在亚临界到超临界状态下的主要物理性质。利用所构建的替代燃料简化机理验证了其化学替代性能,结果表明:该模型不仅在高温区和低温区都能与着火延迟时间的实验值良好吻合,而且也能够良好反映燃料的在低压条件下(0.1～0.01 MPa)的着火延迟现象。模拟的物性参数和着火延迟时间与实验值的良好吻合证明了该替代燃料能同时实现物理替代和化学替代,为深刻认识超燃冲压发动机中燃料再生冷却与燃烧过程耦合机理,实现航空发动机再生冷却系统和推进动力系统等多部件联合仿真奠定基础。