微通道内低马赫数气体的流动与换热特性理论研究

微通道换热器由于换热系数高、质量小等优点,在微电子系统与航空航天等领域具有极大的应用价值,但截至目前人们对微通道内流体的流动与换热特性仍知之甚少。本文针对平行平板式微通道,在连续介质区、低马赫数以及粘性热可忽略的情形下,采用分离变量法导出并简化了均匀热流边界条件下变物性气体的二维层流流动与换热过程的控制方程,进而计算得到了气体速度、压力、温度在通道内的分布规律,上述计算结果与对原始控制方程进行高精度直接数值求解的结果之间具有较好的一致性。研究结果表明：当马赫数小于0.3时,微通道的尺寸效应使得任一横截面上变物性气体的流动和换热参数分布与常物性下的分布存在相似性,气体密度沿通道长度方向的变化不对摩擦系数和努塞尔数的沿程分布造成显著影响;在给定通道结构和进出口参数的情况下,通道内气体密度的减小和流速的增大不能提高对流换热系数,对流换热系数可通过经典理论予以计算;相比常规尺寸通道,微通道内气体的加速过程更加显著,粘性切应力对加速过程起主导作用,并随马赫数的增大而增大;摩擦损失是气体在微通道内损失的主要部分。相关工作可为微通道换热器设计与高马赫数下流动特征的研究提供参考。     

底面局部加热条件下热湍流的流场变化及传热规律

在实际的自然对流现象与工业对流换热设备中常常存在非均匀热边界问题,底面局部加热就是其中的一类.本文使用直接数值模拟方法研究了Pr?=?2、Ra?=?1×108条件下,加热长度l?=?0.5时,不同加热位置对二维方腔内热湍流流场变化及传热规律的影响.其中,下壁面为恒温加热及绝热条件共存的混合边界条件,而上壁面依然为等温条...     

高压涡轮后腔流阻特性与瞬态换热试验研究

在航空发动机二次流系统中,涡轮盘腔的流动和换热问题伴随着复杂的几何、流动及热边界条件,为探究其流场和换热特性对发动机设计的重要作用,对一具有预旋进气孔和高、低半径出口的高压涡轮后腔内的流阻特性和转盘盘面的换热特性进行了试验研究,主要应用瞬态液晶测试技术对转盘表面的对流换热特性进行了测量。在试验中,旋转雷诺数Re_ф变化范围为8×10~5~1.0×10~6,无量纲二次流量(流量系数)C_W变化范围为5.29×10~3~1.19×10~4。试验结果表明:腔内压力及流阻特性受进气流量C_W和转盘转速Re_ф的影响;转盘表面的换热随着半径的递增以及预旋比β_p的增大而增强;出口湍流参数λ_T对换热特性影响很小。     

不同压力环境下竖直平板表面自然对流散热实验

飞行器从地面上升到太空的过程中所经历的大幅度环境参数变化,会导致飞行器及机载设备出现"超热"、"过冷"和"热分层"等现象。为得到不同环境压力下的关键参数--自然对流换热系数,本文搭建了一个能提供不同气压和环境温度的封闭试验舱,对在不同压力环境(0.0001,0.01,0.1,0.2,0.5,1,10,50 kPa和常压)下几种固定加热量(75,150,300 W/m²)的竖直平板散热进行了实验研究,通过对辐射散热和对流散热的分析比较,获取不用工况下气体的对流换热系数。结果表明:对流换热系数在绝对气压小于1 kPa时非常小,可以视作为0;在绝对气压大于1 kPa时,对流换热系数随压力的升高呈2次方增加;通过对环境物理参数的无因次化处理,得到的准则式方程可用于1~100 kPa的环境压力。     

热线风速仪非标定工况下测试修正方法研究

为提高热线风速仪在非标定温度、压力流场下的测速精度以扩大其应用范围,对热线风速仪的换热理论模型进行了深入分析以及详细的理论推导。以热线的四种换热形式为基础,从理论上对热线探针热丝的换热进行了计算分析,在综合考虑强迫对流、自然对流、辐射换热、支架导热后,发现不同来流速度下的强迫对流占比是不同的。而在同一来流速度下,强迫对流占比几乎不随温度变化而变化,但随压力变化较大。以此为基础,综合考虑了温度、压力引起的物性参数变化对热丝换热的影响,以及由此导致的热丝电压值的变化,最终给出了一种新的适用于非标准工况的热线风速仪测试修正方法及修正公式。与公开文献数据进行了比对,平均误差0.68%,最大误差2.2%。证明该修正方法具有较高精度。     

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.      

一种再生冷却面板的温度控制热设计方法

通过分析再生冷却通道的换热特性及其影响因素,基于材料许用温度限制,提出了一种再生冷却面板的温度控制热设计方法.通过设计冷却面板的通道结构,改变通道的传热性能,使冷却面板内不同位置的通道具有不同的冷却能力.采用有限体积法结合蒙特卡罗法及对流换热实验关联式,数值模拟了温度控制热设计方法下再生冷却面板的冷却作用,结果显示该方法在适应非均匀热流密度分布的同时满足结构材料的许用温度限制,保证了结构的热可靠性.      

航空发动机轴承腔换热特性研究

轴承腔是航空发动机机械系统的重要组成部分,其换热特性对滑油系统热分析有决定性影响,为此,对航空发动机典型轴承腔的换热特性进行研究。以ANSYS有限元分析软件结合APDL语言,对典型轴承腔进行有限元建模,并对边界条件进行计算加载,得到了在不同供油量和滑油供油温度下的轴承腔换热特性曲线。采用本方法计算的轴承腔特性与发动机地面试车数据符合性良好,所得到的典型轴承腔换热特性曲线可简化滑油系统热分析,取得很好的系统计算结果。并开辟了通过提高轴承腔换热特性曲线精度而提高系统计算精度的研究途径。本文的计算方法及结果可为发动机整机试车及润滑系统设计提供参考。     

基于流-固耦合传热的热气防冰系统干空气飞行蒙皮温度场计算研究

以机翼热气防冰系统为研究对象,建立了包含热气防冰系统防冰腔内外流场对流换热和固体结构导热的三维稳态流-固耦合传热物理模型,对整个计算区域生成混合网格,边界条件为第三类边界条件,采用计算流体力学方法以 FLUENT 软件为工具,对干空气飞行状态下流-固耦合传热模型进行了求解,获得防冰腔蒙皮内外表面对流换热系数分布和温度场结果,并对计算结果进行了分析。结果表明：防冰腔铝合金蒙皮沿展向和厚度方向导热显著,温度分布较均匀,防冰引气温度为200℃时,防冰腔蒙皮内外表面上最高温度为101℃,最低温度为21℃,3 mm厚的蒙皮同一点处内外表面最大温差仅为4℃,防冰腔排气口处气体的平均温度为63℃。热气防冰系统蒙皮温度场计算方法和计算结果,能够为热气防冰系统干空气飞行试验设计和测试中温度传感器的选型与布置提供依据。     

压力对水平管内超临界碳氢燃料流动换热影响实验

通过实验装置研究了系统压力对水平管内超临界碳氢燃料RP-3流动换热特性的影响规律,并对管内燃油径向热物性变化、浮升力以及热加速对流动换热特性的作用机理进行了分析.结果表明:管内燃油表面传热系数随主流温度升高而增大,不同系统压力下,燃油在相同无量纲温度点热物性变化速率的不同导致了表面传热系数和Nu_x峰值的差异;燃油主流温度与内壁温度之间的差异而导致的热物性差别是造成管内换热规律变化的主要原因,浮升力和热加速作用对换热特性的影响可以忽略;无量纲参数Gr_q/Gr_th可以更好地反映超临界压力碳氢燃料RP-3在水平管内的沿程流动换热特性变化规律.      

含内热源球壳的复合传热特性及其表面温度均匀性研究

应用计算流体动力学方法,对带内热源的空腔球壳所涉及的含导热、自然对流和辐射换热的耦合传热问题进行了数值建模,得到了球壳空腔内、外侧流体的温度场、速度场。在数值模拟基础上,提出并试验验证了能有效提高球壳外表面温度均匀性的电加热绳方案。     

高温下加热/冷却管内参与性介质的辐射与对流耦合换热研究

本文通过数值模拟方法研究了高温下加热/冷却管内层流充分发展流动的参与性介质热起始段的辐射与对流耦合换热。采用离散坐标法求解圆柱坐标系下的非线性积分微分辐射传递方程,采用有限差分法求解辐射与对流的耦合换热能量方程。通过计算,分析了不同壁温及入口温度下,介质导热系数、壁面发射率、介质散射反照率及散射相函数等因素对局部努谢尔数、壁面热流密度及有效加热/冷却长度的影响,并同时采用努谢尔数和壁面热流密度评价了耦合换热中辐射对对流换热的影响。      

微重力场中导热-对流-辐射系统的地面模拟技术

通过理论分析,提出了补偿热流技术,实现了微重力条件下导热-对流-辐射稳态系统的地面相似模拟,通过调整壁面热流密度分布,保持了原型与尺寸适当缩小后的模型的Nu数、材料和温度不变,从而实现模型与原型流动和换热相似。并用数值方法对均匀进风条件下的流动和换热的相似性进行了验证。     

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。     

飞机整体瞬态热状况的数值仿真研究

 在分析飞机内外热环境的耦合传热机制基础上，建立了描述飞机整体瞬态热状况的物理数学模型。引入壁面热流函数，将飞机蒙皮外的气动对流与辐射换热作用转化为舱内热分析的浮动热边界条件，实现了飞机内外耦合热作用的解耦计算，避免了难以实现的直接耦合求解。采用区域分解技术，将飞机整体分解为特性不同的多个求解区域。采用蒙特卡罗法求解舱内设备之间的辐射换热，采用热网络法求解设备内部及各设备之间的辐射-导热-对流耦合换热。利用该方法对某型飞机飞行过程中的瞬态热状况进行了数值模拟，获得了飞机舱内的瞬态温度场，分析了相关因素的影响，为飞机设计及相关研究提供了重要依据。     

涡轮叶栅流动和传热耦合计算

通过求解三维雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程和带转捩模型的二方程SST(Shear stresstransport)湍流模型,完成了带简单冷却的MARKⅡ涡轮导向叶栅流动和传热耦合计算.计算结果与试验数据的对比表明,发展的带转捩模型的数值方法明显地提高了叶栅温度和外换热系数的计算精度.同时研究发现,湍流模型对叶栅表面压力分布影响很小,而对叶栅表面温度和外换热系数影响很大;在其它边界条件相同的情况下进口湍流度对壁面压力几乎无影响,但对叶栅温度和外换热系数影响较大.      

多孔隔热壁温度场气动传热耦合计算方法

研究了燃烧室多孔隔热壁温度场气动传热藕合计算新方法。特点是综合应用工程热力学、空气动力学、传热学(包括导热、对流换热及辐射换热)的基础理论,结合数值传热学的理论和方法,考虑了压力(压差)、流速(流量)、温度(温差)及热量等诸多参数的相互耦合影响的关系,包括气膜孔内壁与冷气对流换热的影响。所发展程序在给出燃烧室进出口必要的气动参数后,即可直接计算出带环状缝隙及多个气膜冷却孔的燃烧室隔热壁温度场。      

变物性与热辐射对发汗冷却过程的影响规律研究

采用两层k-ε湍流模型对高温条件下有发汗冷却时的矩形槽道内湍流流动和换热进行了数值模拟。计算结果表明:随着冷却气体流量的增加,在发汗冷却壁面附近主流气体的温度梯度大大减小,壁面温度、局部对流换热系数都迅速下降;变物性条件下同时考虑热辐射时数值计算得到的平均St相对值St/S_t0随修正注入率F/St0的变化比已知的常物性条件下的值小;随着高温气体温度的上升,变物性和热辐射对与高温流体接触的表面温度有较大影响,热辐射对壁面温度的影响比变物性更大,而对流换热系数所受的影响不大;当主流为高温气体(如:2500K)、而壁面温度较低时(如:800K)热辐射的影响不大,发汗冷却效果仍然很明显。      

液氧甲烷发动机台阶型冷却通道的耦合传热特性

为了研究液氧甲烷发动机再生冷却通道中跨临界甲烷的流动和传热特性,以及冷却通道较大幅度的突扩突缩对冷却效果的影响,采用整场直接耦合的方法对推力室三维耦合传热进行了数值模拟,考虑了燃气的非平衡流动.通过计算得到了推力室三维温度场和流场.计算结果表明：由于喉部截面附近存在较强的二次流,燃气侧壁面温度的最大值出现在喉部上游.由于突扩突缩处存在较强的旋涡运动,冷却剂的湍流强度增强,冷却剂侧表面传热系数显著提高,燃气侧壁面温度出现局部极小值,同时也产生了较大的局部损失.由于铜内衬热阻比镍外套热阻小得多,从燃烧室进入的大部分热量在冷却通道底面和侧面被冷却剂吸收.冷却通道底面的温度和热流密度沿程变化比顶面更剧烈.