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。     

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。     

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.      

U型再生冷却通道内超临界航空煤油换热特性数值模拟

为了解决航空发动机的高温热防护问题,通过RNG k-ε湍流模型开展了U型再生冷却通道内超临界压力RP-3航空煤 油换热特性数值研究。探究了进口参数、固壁热导率、壁面粗糙度对换热的影响机制。基于流场和温度场揭示了换热特征和换热 机理,通过离心力参数讨论了其作用机制,阐述了二次流对换热的影响,提出了换热关联式,其预测偏差处于±20%以内。结果表 明：上游水平通道和下游水平通道受非对称加热作用产生弱二次流,弯通道受离心力作用产生强二次流,高温区近壁流体吸热能 力降低造成传热恶化,最高壁温约为935 K;离心力促使热流产生显著的周向迁移。在高进口温度下传热恶化起始位置提前到弯 通道,加剧了离心力作用,使热流迁移增强。提高固壁热导率和壁面粗糙度,换热均增强,对离心力影响可忽略。     

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（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。     

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。      

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。     

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。     

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。     

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。     

液体推进剂火箭发动机推力室再生冷却通道三维流动与传热数值计算

应用湍流模型对液体推进剂火箭发动机再生冷却推力室通道的流动与传热进行了三维数值模拟,冷却工质为氢气,其密度、导热系数、动力粘度随着温度和压力而变化,冷却剂比热容及金属固体物性随着温度而变化。计算采用标准k-ε双方程湍流模型及气-固耦合算法。结果表明:推力室燃气侧壁面的温度和热流密度的最高点均发生在喉部附近,喉部横截面固体区域最大温度梯度靠近燃气,喉部附近氢气在垂直主流方向的截面上产生了二次流。气固耦合面最大热流密度及最大对流换热系数同样位于推力室喉部附近。      

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。     

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。     

超临界RP-3管内换热特性实验

实验研究了超临界RP-3管内换热特性。实验段为2100mm长、外径2.2mm,内径1.8mm不锈钢管(材质:1Cr18Ni9Ti)。RP-3在5MPa压力下流经该实验管,采用近似等热流加热方式将其从127℃加热至427℃。通过测量0min,20min,30min,45min和60min时管外壁和流体温度得到管内对流换热系数hin沿流向分布、结焦对管内传热系数Kin影响。研究结果表明:在远离临界点的亚临界区域,hin随着RP-3温度上升逐渐增大;在近临界区管内对流换热系数迅速增加;而进入超临界区域后,hin保持在1.8×104W/(m·℃)附近;结焦对管内传热影响显著,Kin随结焦增多逐渐降低,而降幅逐渐减小。     

浮升力对航空煤油传热流动影响的数值研究

不同重力条件下,浮升力对航空煤油再生冷却效果会带来不同影响。建立 RNG k-ε 湍流三维模型,通过同等条件下与他人实验和模拟得到的壁面温度对比验证该模型;针对航空燃油 RP-3 在不同重力条件下水平管内的浮力诱导的温度分布、二次流速度、对流传热系数和湍动能的变化,研究重力条件变化时航空燃油浮升力对传热流动的作用机制。结果表明：重力加倍增大将导致浮升力对流的影响显著增强,并且湍动能随之非线性增加,对流传热系数呈现出明显的提升;重力条件改变时,重力方向上浮升力诱导的二次流发生了复杂的演变,对流传热系数呈现出先减小后增大,最终再减小的变化趋势;当航空燃油温度超过超临界温度时,对流传热系数发生突变,同时造成管壁温度出现显著差异。     

再生冷却通道跨临界甲烷流动传热研究

采用数值模拟方法,对再生冷却通道和跨临界甲烷进行三维流动与传热耦合计算.采用经验公式模拟燃气侧对流和辐射换热,考虑跨临界甲烷物性随温度和压力的变化.所得结果表明:甲烷比定压热容、黏度、导热系数在冷却通道截面出现极值,阻碍其热量交换,流场分层、流速非对称明显;冷却通道温度沿径向减小,沿周向增加至通道中心达到最大,在肋根处热流密度最低.     

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。     

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。