超临界压力下航空煤油流动与传热特性试验

本文针对超燃冲压发动机再生冷却系统运行条件,实验研究了大庆RP-3煤油在超临界压力下的流动和传热特性,目的在于研究煤油在各种工况下的流动参数变化以及对流传热规律。煤油通过二级煤油加热/输运系统加热,试验的煤油压力约2.6M～5.0MPa,油温约300～800K。相应的壁面热流密度为10～300kW/m2。通过油温与壁温的同步测量,结合非定常传热分析,获得了超临界压力下、亚/超临界温度范围内煤油的流动和传热物理参量的变化曲线。     

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。     

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。      

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圆管流动和传热的数值研究

对超临界压力下大庆RP-3航空煤油在小管道内的流动、传热过程进行了数值研究。湍流模拟采用了RNG k-ε两方程模型和Wolfstein一方程模型结合的两层模型;同时,采用煤油的10组分替代模型以及NIST Super-trapp程序库对大庆3号航空煤油的热物理和输运特性进行了确定。圆管传热的计算条件为:入口压力4 MPa,入口温度300 K,质量流量范围:0.06～0.12 kg/s,壁面热流密度范围:300～700 kW/m2。计算结果显示,煤油的流动和传热特性比水、二氧化碳等简单化合物复杂得多。在超临界压力下,煤油的吸热升温导致其热物理特性以及流动特性均发生剧烈变化,其中,雷诺数沿管道方向上升了至少一个量级,而普朗特数下降了一个量级。在加热开始段,煤油的对流传热系数迅速上升;当壁面温度超过其拟临界温度后,对流传热系数略有所回落;随着煤油温度的进一步上升,传热系数又得到明显增强。计算表明,煤油对流换热特性的变化与煤油复杂的高温热物理特性以及湍流流动在近壁区的增强和抑止有关。     

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.      

超临界压力正十烷对流传热实验及计算研究

针对主动冷却超燃冲压发动机的实际工作条件,利用电加热管设备开展了超临界压力正十烷流动和传热特性实验,目的在于获得适用于发动机传热设计的燃料对流传热关联式。管子材料为不锈钢、内径1．5 mm、外径3．0mm、长度1300mm。采用K型热电偶测量管壁沿程外壁温。实验中正十烷压力约4．0～4．3MPa,温度约335～870K,流量分别为0．93、1．24和1．86g/s。正十烷的流动经历了层流、过渡和湍流3种流态。采用最小二乘法拟合实验数据,获得了正十烷在3种流态下的传热关联式。通过外壁温计算值与实验值的对比,验证了本文给出的传热关联式的适用性。     

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。     

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。      

Numerical investigation on flow and heat transfer characteristics of supercritical RP-3 in inclined pipe

Numerical simulations of flow and heat transfer to supercritical RP-3 through the inclined tubes have been performed using LS k–e model embedded in Fluent. The physical properties of RP-3 were obtained using the generalized corresponding state laws based on the fourcomponent surrogate model. Mass flow rate is 0.3 g/s, system pressure is 3 MPa, inlet temperature is 373 K. Inclination of the inclined pipe varied from -90° to 90°, with heat flux varied from 300 k W/m~2 to 400 kW/m~2. Comparison between the calculated result and the experimental data indicates the range of error reasonable. The results of ±45° show that temperature inhomogeneity in inclined pipe produce the secondary flow in its cross section due to the buoyancy force. Depending on the strength of the temperature inhomogeneity, there will be two different forms of secondary flow and both contribute to the convective heat transfer in the pipe. The secondary flow intensity decreases when the inhomogeneity alleviates and thermal acceleration will play a leading role. It will have a greater impact on the turbulent flow to affect the convective heat transfer in the pipe. When changing the inclination, it affects the magnitude of the buoyant component in flow direction. The angle increases, the buoyancy component decreases. And the peak temperature of wall dominated by the secondary flow will move forward and increase in height.     

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。     

A refined design method for precoolers with consideration of multi-parameter variations based on low-dimensional analysis

The precooler is a distinctive component of precooled air-breathing engines but constitutes a challenge to conventional thermal design methods. The latter are based upon assumptions that often reveal to be limited for precooler design. In this paper, a refined design method considering the variations of fluid thermophysical properties, flow area and thermal parameters distortion,was proposed to remediate their limitations. Firstly, the precooler was discretized into a fixed number of sub-microtu...     

超临界压力航空煤油RP-3在竖直微细管内的对流换热实验

以实验方式对超临界压力RP-3在内径为1.09mm微细管内的对流换热进行了研究,剖析了系统压力、加热热流密度、流动方向及浮升力这些因素对对流换热的影响。实验中热流密度控制为180~460kW/m2,系统进口压力变化范围为3~5MPa,进口雷诺数在3200~10200范围内变化。结果表明:对于向下流动,在实验段入口处浮升力对换热产生了恶化作用,热流密度越大,恶化作用越强;系统压力主要是通过影响流体热物性对对流换热产生影响;不同流动方向对对流换热的影响十分显著,整体上向下流动换热得到强化,向上流动换热得到恶化。      

高压燃气涡轮径向内冷叶片气热耦合的数值分析

采用气热耦合方法对采用径向内冷方式的MarkⅡ型跨声速高压燃气涡轮金属导叶进行数值模拟,通过分析叶片通道内的传热和流动过程发现叶片表面附面层内流动非常复杂,包含层流流动、转捩和湍流流动状态,所以只有使用转捩模型计算的叶片附面层内流动与实际情况相符,叶片壁面温度和换热系数分布与实验结果吻合的较好,使用其他湍流模型由于不能准确描述附面层内流动而使得计算结果误差相对较大,但是所有的湍流模型都能很好的模拟附面层以外流动.      

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.      

Frictional resistance of supercritical pressure RP-3 flowing in a vertically downward tube at constant heat fluxes

Based on the demands of compact heat exchangers and micro cooling channels applied for aviation thermal protection, the flow resistance characteristics of aviation kerosene RP-3 were experimentally studied in a vertically downward circular miniature tube with an inner diameter of 1.86 mm at supercritical pressures and constant heat fluxes. A long and short tube method was used to accurately calculate the frictional pressure drop, and experimental conditions are supercritical pressures of 4 MPa, mass flow rates of 2–4 g/s (i.e., mass fluxes of 736–1472 kg/(m²?s)), heat fluxes of 100–500 kW/m², and inlet temperatures of 373–673 K. Results show that the sharp variations of thermophysical properties, especially density, have significant influences on frictional resistances. Generally, the frictional pressure drop and the friction factor increase with increasing inlet temperatures, and this trend speeds up in the relatively high-temperature region. However, the friction factor has a sudden decline when the fuel outlet temperature exceeds the pseudo-critical temperature. The frictional pressure drop and the friction factor basically remain unchanged with increasing heat flux when the inlet temperature is relatively low, but increase quickly when the inlet temperature is relatively high. Besides, a larger mass flux yields a higher pressure drop but does not necessarily yield a higher friction factor. Finally, an empirical friction factor correlation is proposed and shows better predictive performance than those of previous models.     

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。     

带单排气膜孔的叶片前缘气膜冷却换热实验

针对叶片前缘结构的特点,建立了前缘气膜冷却实验台,实验模型由半圆柱面和两个平板组成,在距离滞止线2倍孔间距位置布置了1排气膜孔。详细地测量了主流湍流度,二次流与主流密度比以及动量比对前缘径向平均换热系数和换热系数比的影响。二次流与主流密度比为1和1.5。动量比变化范围为0.5~4。主流在前缘位置的湍流度分别为0.4%和8%。结果表明,随着动量比的增加,径向平均换热系数增加。无二次流时,湍流度的增加使换热显著增强,有二次流时,湍流度增加使换热增强的幅度较小。密度比对径向平均换热系数的影响非常小。随着孔间距的增加,径向平均换热系数略有减小。径向角对径向平均换热系数的影响较小。在高湍流度下,前缘位置的径向平均换热系数比沿着流动方向是逐渐降低的。在低湍流度下,前缘位置的径向平均换热系数比在x/d=4.5的位置出现了一个峰值。