竖直矩形通道内超临界正癸烷振荡特性的大涡模拟

基于超临界碳氢燃料的主动再生冷却被认为是超燃冲压发动机最具前景的热管理方法之一。本研究利用大涡模拟数值方法探究矩形通道内超临界碳氢燃料初始流动传热的瞬态变化规律的,证实了超临界振荡效应的存在,即温度和速度分布波动性较强。通过监测10^-4 s时间尺度下的速度变化规律,发现振荡有着近似三角函数式的频率和振幅。冷却通道被加热初期时,近加热壁面处热流体在浮升力作用下流向低温区域;随着流体温度逐渐接近其拟临界值,其物性参数发生剧烈变化,摩擦因数和流体动能呈现振荡性,在远离加热壁面的位置诱导出了强化涡;随着时间推移,强化涡开始向加热壁面移动,伴随着低温流体冲击热壁面,使其热输运得到强化。     

摇摆条件下棒束通道内超临界水流动传热特性

针对核动力舰艇航行时可能发生的摇摆运动情况,本文采用数值模拟方法探究海洋摇摆运动条件下超临界水冷堆（Supercritical-water-cooled reactor, SCWR）堆芯冷却通道内超临界水湍流流动与传热特性,揭示海洋摇摆运动对通道内瞬时及时均换热性能的影响。研究表明：在摇摆条件下通道内超临界水横流强度大幅增强,流体质量流量、压降损失、瞬时换热系数、燃料棒外壁面最高温度等均出现周期性波动现象,在流体温度接近拟临界温度时摇摆运动对通道内对流传热过程的影响最显著。并且,上述参数波动幅度与摇摆幅度和摇摆周期之比正相关。随通道摇摆幅度增大或摇摆周期减小,瞬时换热系数与瞬时压降波动幅度增大。总体而言,与竖直静止情形相比,在摇摆条件下通道内时均压降损失与时均换热系数均有一定程度增大,但增长幅度有限。     

超椭圆孔型对气膜绝热冷却效率的影响

在吹风比M为0.5,1.0和1.5的3种情况下数值研究了超椭圆孔型对气膜绝热冷却效率的影响,并基于流动特征深入分析了其冷却机制。结果表明:相比于基准的圆形孔模型,吹风比为0.5时超椭圆模型I(长宽比为2)在x/D5区域内气膜绝热冷却效率较高,吹风比为1.0时在x/D17.35区域内气膜绝热冷却效率较高,吹风比为1.5时,在整个流向上都具有较高的气膜绝热冷却效率。由于气膜在展向的覆盖范围较大,超椭圆模型II(长宽比为4)在3种不同的吹风比下相比于圆形孔模型和超椭圆模型I具有最佳的气膜绝热冷却效率,且吹风比越大,其优势越明显。     

基于结构参数分析的姊妹孔气膜冷却性能研究

以姊妹孔气膜冷却结构的偏转角度、倾斜角度和吹风比为因素，并以壁面平均气膜冷却效率为评价指标，应用田口方法设计了三因素五水平正交表，并结合数值计算对不同工况下的流场特征和冷却效率分布进行了分析。计算结果表明：高吹风比下姊妹孔冷却效率为常规圆柱孔冷却效率的165%~412.5%，正向10°偏转的姊妹孔冷却效率均大于负向10°偏转的姊妹孔冷却效率。参数化结果表明：吹风比为0.5、偏转角度为10°、倾斜角度为35°的结构表现出最佳冷却效果。     

截断肋排布方式对内冷通道换热性能的影响

在给定通道雷诺数的条件下,实验研究了矩形内冷通道中截断肋片在6种不同排布方式下的换热特性,并结合三维数值模拟方法,基于流动特征深入分析了其中的对流换热机理。研究表明:6种不同排布方式下,结构2-3-5-9通道的换热性能最好,结构2-5-3-9通道的换热性能最差;结构2-3-5-9通道的压力损失最大,结构2-5-9-3通道的压力损失最小。就总体热性能而言,结构2-9-5-3的最好,结构2-3-5-9的次之,结构2-5-3-9的最差。对流动特征的分析可知,肋片截断区域诱导的横向涡增强主流与边界层流体的掺混,强化了受热壁面与流体间的换热;截断肋片的不同方式排布使通道中流动特征不尽相同,但截断区域的涡结构基本相似。     

油冷涡轮动叶方案中旋转冷却效应分析

空气涡轮技术可用于超燃冲压发动机,解决燃料和电力供给问题,其面临的主要障碍是冷源受限条件下涡轮动叶的冷却措施。提出了一种用燃料作为冷却剂的油冷方案,对涡轮动叶进行冷却。针对该方案,建立了三维模型并通过数值模拟方法评估该方案的可行性,并研究了旋转条件下的流动换热问题。结果表明:油冷方案可以在基本不影响涡轮性能的基础上有效降低动叶温度;单个叶片用1g/s流量的燃料就能使叶片的温度大幅降低;高速转动下,冷却通道中压力最高可达114.5MPa;旋转效应增强了冷却通道中流动的湍流度,提高了冷却剂与叶片之间的对流换热系数。