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。     

碳氢燃料裂解吸热反应及超临界传热现象数值模型的构建与验证

 基于正癸烷在超临界压力下的热裂解反应机理,建立了考虑正癸烷裂解吸热反应及超临界传热现象的数值计算模型。采用该模型对正癸烷在3.45~11.38 MPa压力条件下的湍流传热过程进行了数值模拟计算研究,得到了详细的温度、速度、裂解转化率、物性及壁面热流密度的变化和分布情况。通过与已有的实验和数值计算结果的对比,对数值模型和计算软件进行了充分的验证。结果表明,本文的数值模型是准确、可靠的。这就为研究碳氢燃料的裂解吸热反应及超临界传热现象提供了一个有效的模拟计算工具。     

超临界压力下湍流区碳氢燃料传热研究

碳氢燃料的传热特性对于再生冷却超燃发动机的传热设计至关重要.采用电热管开展了正十烷的传热特性实验,燃料压力约4.0MPa.利用一维流动的质量和能量守恒关系,对管道内燃料的传热进行了分析.采用多元线性回归的方法获得了正十烷在湍流区的传热关联式,通过外壁温的计算与测量的对比,验证了实验获得的湍流传热关联式的适用性.     

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。     

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。     

超临界碳氢燃料的射流特性研究

针对未来先进航空发动机的超临界燃油喷射混合问题,采用纹影法对超临界正十烷(n-decane)/正戊烷(n-pent ane)混合物在静止环境中的射流激波结构进行试验,同时采用理论分析的方法研究了射流的相变途径和流量特性。纹影照片显示,在试验工况下射流在喷口附近呈现出马赫波等激波结构,燃料的压力是激波结构的主要影响因素。理论分析表明:在混合物的临界点附近,燃料压力较高时更有可能导致相变。由于物性的不同,大分子与小分子碳氢燃料的相变途径存在一定的差异,小分子燃料在喷射过程中更容易发生冷凝。采用1维等熵计算方法可以较精确地计算高温高压碳氢燃料的流量。     

超临界态碳氢燃料流固耦合传热及热裂解的计算方法研究

为深入研究主动再生冷却机理,采用固体热传导方程和流体控制方程,建立了超临界态碳氢燃料耦合传热及热裂解的数值方法。对两种实验状态下电加热管内RP-3航空煤油的耦合传热及热裂解过程进行了计算研究,其中RP-3的热裂解反应由包含1个总体反应和23个二次反应的Modified Kumar-Kunzru反应机理模拟。两种状态下计算得到的外壁温、燃料温度、RP-3裂解率以及裂解产物分布与测量值的最大误差分别小于10%和15%。计算与实验结果吻合较好,表明建立的数值方法是准确的,可以作为研究超临界态碳氢燃料耦合传热及热裂解特性的有效计算分析工具。     

超临界压力下碳氢燃料裂解与流动传热模拟的快速算法

为了快速预测发动机冷却通道内碳氢燃料在考虑热裂解时的流动传热特性,基于正癸烷热裂解反应机理,建立了一套模拟正癸烷裂解吸热和超临界压力传热现象的快速算法。采用三维物性库查表算法计算裂解反应混合物的热物性,同时对组分输运方程进行简化,简化后只需求解1个组分输运方程。通过与现有的实验和数值结果进行比较,检验了快速算法的计算效率和可靠性。结果表明,快速算法与求解全组分输运方程的算法精度相当,但计算效率提升了约20倍。最后采用该算法对三维矩形截面冷却通道内的超临界压力正癸烷裂解与传热过程进行数值模拟,进一步考察了本文快速算法的计算精度及其工程应用价值。     

方形通道内超临界碳氢燃料传热恶化数值研究

为了深入理解火箭发动机再生冷却过程中碳氢燃料的流动传热规律,采用RNG k-ε湍流模型结合增强壁面处理方法对非对称受热(上壁面外侧加热)方形冷却通道内超临界压力甲烷的对流换热进行了数值研究。重点考察了加热壁面内侧的传热恶化以及由传热恶化和固壁热传导共同作用引起的热流异常传递现象,拟合得到了传热恶化的临界热流密度和起始内壁温关系式、加热侧内壁面和侧壁面内侧平均热流密度的预测关系式。结果表明:当外壁热流密度和质量流速比值高于0.288 k J/kg时,近壁流体流动加速诱发了加热侧内壁面的传热恶化;同时,固体区域温度畸变导致加热侧内壁面热流密度减小,热流更多地向侧壁面内侧传导。运行压力越低,该现象越显著。     

压力对超临界碳氢燃料换热恶化影响的数值研究

为了研究竖直管道内压力对超临界碳氢燃料换热恶化的影响,采用数值模拟的方法,选择RP-3的四组分替代模型和LS低雷诺数湍流模型,分别从浮升力和物性的角度深入分析压力作用机理,并对比了直径2mm与10mm管道内压力的作用效果。各工况下计算结果与实验数据基本吻合,证实了计算方法的准确性。数值模拟结果表明:不考虑裂解结焦的情况下,系统压力超过5MPa后,碳氢燃料物性随温度变化趋于平缓,密度及比热容在管内不均匀性得到改善,同时壁面附近比热容平均值增大,使得管内换热恶化得到有效缓解;而在直径10mm管道内,热流从壁面到主流区传播减慢,管壁与管道轴心处流体温差最大可达300K,物性不均匀现象加剧,增大压力对换热恶化的缓解效果被削弱。     

碳氢燃料变压力过程中传热研究

碳氢燃料广泛应用于再生冷却技术中,为了研究其在不同压力下和压力变化过程中的传热规律,使用内径1mm圆管进行了变压力过程实验。试验参数:冷态流量1g/s,流体出口温度500℃,压力1~4MPa。在不同压力稳态的传热试验中发现了两种类型的传热恶化:亚临界下的膜态沸腾和超临界时的入口层流化。研究了变压力时的传热特性,重点分析了不同换热区域的外壁温动态变化,发现了变压力过程中的壁温非单调特性,在超临界压力下动态变化时的传热弱于稳态的传热。实验中还研究了三种不同升压速率对换热的影响,结果显示压力变化速率对传热影响不大。     

倾斜圆管内超临界RP-3流动换热特性数值研究

采用数值模拟方法对倾斜圆管内超临界RP-3的流动换热特性进行研究,以获得倾斜角度对流动换热的影响规律及作用机理。物性参数由RP-3的四组分替代模型获得,湍流模型选择LS低雷诺数k-ε模型,通过计算结果与实验数据的对比保证计算方法的准确性。分析倾角为45°的圆管内壁温轴向及周向分布变化规律,发现浮升力引起的截面内二次流与热加速效应分别导致两次壁温峰值的出现,而质量流量由0.3g/s增加至0.9g/s过程中,浮升力作用效果减弱,湍流强度增大,两次峰值先后消失;在垂直流向与沿流向浮升力综合作用下,-90°~90°不同倾角管内表现出不同换热规律。     

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。     

U形管内含水航空燃油流动及换热特性数值模拟

为探究航空发动机燃油管路内流动及换热特性,建立发动机外部U形燃油管路含水燃油离散相模型（DPM）进行数值模 拟。结果表明：体积含水率（≤10%）越高,U形管全管段的压降梯度越大,换热系数越高;流动分离、迪恩涡、离心力作用和油水两 相相互作用导致流动阻力增大,是弯管段压降梯度明显大于一般直管的主要原因。不同流量条件下：迪恩涡引起的燃油横向输运 和二次流流速分布对弯管段的周向换热不均现象影响较大,弯管内、外侧的换热系数大小关系可以根据弯管段迪恩数判定。环境 温度不变,流量越大,U形管全管段压降越高,沿程换热系数越大,且含水率越高,流量对压降梯度的影响越明显;流量不变,环境 温度越低,U形管全管段压降越高,沿程换热系数越小。