超临界压力下低温甲烷的湍流传热数值研究

通过系统的数值模拟计算,在准确确定甲烷的热力学和传输物性变化的情况下,详细分析了两种热流密度下超临界压力对低温甲烷的湍流传热过程的影响,揭示了对流换热Nusselt数的变化规律。计算结果表明:在超临界压力下,热力学和传输物性对湍流传热现象会造成很大的影响,尤其在甲烷的临界区域附近,由于物性的剧烈变化会导致传热过程的恶化现象;在高热流密度情况下(如7MW/m2),增大管内压力有利于提高对流换热强度;现有的常用变物性湍流传热公式不能适用于超临界压力下低温甲烷的对流换热计算。     

超临界压力下正十烷流动传热的数值模拟

为了深入理解主动再生冷却过程中碳氢燃料的超临界传热特性,基于SIMPLE算法建立了数值模拟方法,考虑了碳氢燃料物性随温度的剧烈变化,并利用电加热管实验结果验证了计算方法。针对超临界压力下细管道内正十烷的流动传热现象进行了系统的数值计算研究,考察了计算网格无关性和超临界流动传热过程中的压力效应。结果表明:网格选择与正十烷的状态有关;在超临界压力下,较低的正十烷压力引起临界温度附近的努赛尔数减小,导致传热效率下降;目前常用的传热经验公式在正十烷临界区域附近与数值计算结果差别较大。     

超临界压力航空煤油热声振荡与传热恶化实验研究

为了深入理解超燃冲压发动机再生冷却系统中碳氢燃料的流动传热规律,对竖直上升圆管内RP-3航空煤油的超临界对流换热做了实验研究。详细探讨了质量流速、热流密度、压力等对管壁温度和换热系数分布的影响,并拟合得到了过渡区和湍流区的对流换热经验关系式。结果表明:近临界和较高压力下的换热呈现出迥异的特征。在近临界压力过渡区的高进口过冷度工况,近壁流体密度和黏度的综合作用引起了热声振荡现象,使换热显著增强;而主流温度处于拟临界温度附近时却出现了由近壁流体体积急剧膨胀导致的传热恶化现象。在高压力下,过渡区热声振荡和湍流区传热恶化都不会出现,但低质量流速时强浮升力使过渡区进口段出现了严重的壁温飞升现象。新关系式具有良好的适用性,预测值与实验值的相对误差在20%以内。     

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。     

考虑发动机冷却通道固壁内耦合导热影响的低温甲烷超临界压力传热研究

 在考虑发动机冷却通道固壁内耦合导热影响的情况下,开展了低温甲烷在矩形冷却通道中的超临界压力湍流换热数值模拟研究;仔细分析了热流密度及管道几何形状对低温甲烷超临界压力下的流动和传热的影响;得到了流体速度、壁面温度、壁面热流密度等参数的详细变化情况以及Nusselt数的变化规律。计算结果表明:在考虑流固耦合作用时,上壁面施加的热流有一部分会通过固体壁面内的热传导,经由侧壁面传入超临界压力流体,并且随着热流密度的增加,经侧壁面传导的热流所占的比例也会随之增大;减小冷却通道内截面的高宽比,可以提高超临界压力下的换热效果,但流动压降会大大增加,因此冷却通道高宽比的选择需综合考虑传热与压力损失的影响,可以引入热性能参数作为参考;修正的Jackson&;Hall对流换热关系式基本可以适用于本文中的各种工况。     

超临界压力下航空煤油传热特性

为了弄清航空煤油在超临界压力下的传热情况,进行了超临界压力下航空煤油传热实验研究。由实验结果绘出了超临界压力下煤油传热曲线图。实验结果表明:煤油在超临界压力下传热情况从低温到高温依次历经四个过程:(1)正常传热段,这一段内实验管内壁温和煤油温度都低于临界温度;(2)传热强化段,这一段内管内壁温度达到拟临界温度,发生拟沸腾强化传热;(3)传热恶化段,这一段内煤油温度处于临界温度附近比热和导热系数都迅速达到极大值之后的缓慢减小区段;(4)第二次传热强化段,这一段是经过传热恶化后,随着温度的进一步升高,比热和导热系数又缓慢升高,出现第二次传热强化。     

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。      

垂直上升圆管内超临界航空煤油的传热恶化数值研究

采用RNG k-ε湍流模型结合增强壁面处理的方法以及10组分替代模型对RP-3航空煤油在垂直上升圆管内的超临界对流换热进行了数值研究。详细分析了超临界条件下航空煤油的传热恶化机理,并将数值计算结果与常用经验换热公式值进行了比较,以考察这些经验关系式的适用性。计算结果表明:在较高的热流密度下,热物性的剧烈变化使径向流场产生异变,引发了复杂的传热恶化现象。其中,低主流焓值区的传热恶化是由热加速作用导致的,高主流焓值区的传热恶化是由径向速度波动造成的。Bae-Kim关系式能较好地反映垂直上升圆管中航空煤油的超临界传热情况,预测值与模拟值的相对误差均在20%以内;而Bishop等给出的经验公式则不再适用。     

方形再生冷却通道内超临界正癸烷湍流传热数值研究

为了深入理解再生冷却过程中碳氢燃料的超临界湍流传热特性,以正癸烷为研究对象,对其在非对称受热(上壁面外侧加热)方形通道内的流动传热进行了数值研究。在数值方法可靠性得到充分验证的基础上,详细探讨了进口温度和压力等运行参数对通道上壁面和侧壁面内侧平均壁温和平均努塞尔数分布的影响。计算结果表明:在运行压力接近临界压力且主流温度处于拟临界温度附近的综合条件下,流体热物性剧烈变化导致的类膜态沸腾效应,引起了上壁面内侧显著的传热恶化现象。同时,不平衡压差诱发的通道截面速度场异常分布,进一步影响了上壁面内侧近壁区域流体的换热性能。另外,类膜态沸腾效应致使上壁面热流更多地传递到侧壁面,导致侧壁面平均努塞尔数大幅增大,相比于正常换热的最大增幅约为50%。     

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.      

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。     

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。     

燃气非平衡流再生冷却流动传热数值模拟

为准确预测液体火箭发动机推力室身部再生冷却换热状况,采用数值模拟方法,对燃气、推力室壁和超临界气氢进行三维流动和换热耦合计算。采用6组分9步反应动力学模型计算燃气的非平衡化学反应,采用DO模型计算燃气辐射换热,考虑超临界气氢物性随温度和压力的变化。获得了室壁温度场、燃气及冷却剂流场。结果表明,Redlich-Kwong方程、Peng-Robinson方程、Lucas法、TRAPP法能分别准确计算超临界氢的密度、定压比热容、粘度、导热系数,采用燃气非平衡流计算所得流场值更符合实际情况。     

浮升力对竖直上升圆管内超临界航空煤油换热的影响及评价准则

为深入理解航空发动机再生冷却热防护中的换热机理,对竖直上升圆管内超临界压力RP-3航空煤油的传热恶化开展了实验研究。探究了两类传热恶化的换热特征和形成机理,考察了热流密度、质量流量和进口压力对传热恶化的影响机制。获得了两类传热恶化的起始条件判别准则。以Nu/Nu0=0.75作为依据,建立了浮升力影响评价准则。通过格拉晓夫数修正实现了换热关联式预测。结果表明：两类传热恶化出现在不同条件下,低温区传热恶化源于边界层转捩和浮升力的综合作用,当进口雷诺数高于5730时其不再出现;高温区传热恶化的临界热流密度可以表述为质量流量的函数关系。当浮升力参数Grb/Re2.7和Gr/Re2分别高于10-7、10-3时,浮升力作用不可忽略。改进的换热关联式具有合理的预测精度,满足热防护系统设计的工程运用。     

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。     

竖直下降圆管内超临界压力RP-3航空煤油传热恶化实验研究

为理解空-油换热器中的冷却换热特性,对竖直下降圆管内超临界压力RP-3航空煤油的换热进行了实验研究。探究了稳态换热特征和换热机理,探讨了质量流量、热流密度、运行压力和进口温度对换热的影响;基于拟沸腾数提出了传热恶化的临界准则以及壁温最大飞升值的预测准则;通过浮升力和热加速判别准则分析了两者对换热的影响;实现了换热关联式预测。结果表明：浮升力和热加速对换热的影响可以忽略。拟沸腾换热机制,即近壁流体膨胀力相比惯性力占主导时,类气态流体层覆盖壁面是传热恶化的原因。当拟沸腾数高于2.5×10^-4时,拟沸腾换热机制起作用。最后,探究了泄压过程中的瞬态换热特征。泄压过程中拟沸腾数不断增大,传热恶化加剧,高泄压速率下甚至出现壁温波动。