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。     

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。     

可压缩流湍流度变热线过热比测量方法

开展了可压缩流中湍流度测量技术的研究,以满足高速风洞高精度试验能力的需求。以对流换热规律为基础,从理论上对可压缩流中热线金属丝热平衡关系式进行了推导,以此为基础,详细推导了恒温热线风速仪的响应关系式,得到了质量流量和总温灵敏度系数的显式表达式,建立了可压缩流中湍流度的求解方法。在马赫数为0.3~0.6范围内进行了湍流度测量试验,以响应关系式为数学模型,利用双曲线拟合方法对试验数据进行了拟合分析,求解得到了马赫数在0.3~0.6范围内流场湍流度约为0.3%~0.6%。对热线输出电压进行了频谱分析,根据频谱特性,利用低通滤波对频域信号进行了处理,有效降低了时域信号脉冲尖峰对湍流度求解的影响,滤波后求解得到马赫数在0.3~0.6范围内流场湍流度约为0.1%~0.3%,与前期测量结果相符。试验结果证明了所建立理论方法的正确性及利用恒温热线风速仪变过热比方法测量可压缩流湍流度的可行性。     

U形竖管内超临界甲烷传热异常行为机理研究

针对航空发动机的空气预冷系统U形竖管超临界流体传热异常问题，对超临界压力甲烷U形竖管内传热行为进行了数值研究。探究了热流密度、质量流量和运行压力对换热的影响，从超临界甲烷管内温度、速度、流动状态及无量纲数变化出发，阐述了超临界甲烷在U形管内异常传热现象形成的机理。结果表明，在较高热流密度(95k W·m^-2)下，浮升力导致的自然对流是上升直管段内传热恶化的主要原因，运行压力的升高抑制了物性变化，促进了传热恶化向正常传热方向恢复。弯管段内的二次流使混合对流转变为强制对流，二次流形成的迪恩涡改善了径向温度分布不均匀性，强化了弯管段及其后续直管段的传热，且在弯管顶部位置传热的强化作用最为显著。     

对流传热场协同原理在高速可压缩边界层流动中的推广

应用理论分析方法对适用于不可压缩层流与湍流流动的对流传热场协同原理进行了可压缩层流与湍流流动上的推广。分析结果表明,与不可压缩流动的对流传热场协同原理不同,可压缩层流与湍流的对流传热取决于流动当地单位体积的动量与总焓梯度的协同。用当地单位体积的动量与总焓梯度的协同研究可压缩流动的壁面传热问题,对层流热流,不但计及了高速流动的密度变化对热流的作用,而且包括了静焓梯度、压力梯度、壁面分子黏性剪切效应对热流的影响;对湍流问题,除了高速流动的密度变化、压力梯度、壁面分子黏性剪切效应对热流的影响外,还计及了雷诺剪切应力对热流的作用。另外,对黏性影响不能忽略的不可压缩流动的对流传热问题,用速度向量与总温（总焓）梯度协同更精确。     

直方管内充分发展湍流的大涡模拟 第二部分

本文第一部分用大涡模拟的方法对直方管内Ｒｅ＝４．９×１０￣４的充分发展湍流运动进行了数值模拟。所得结果证实大涡模拟是高雷诺数复杂湍流运动数值模拟的一个有效手段。在本文第二部分用所得的数据库对湍流运动的结构和形态进行了分析，并且用流体质点运动图形显示了湍流运动的二次流。     

矩形横截面螺旋管湍流流动与传热特性的数值研究

 采用了剪切应力输运(SST)k-ω两方程湍流模型并考虑近壁低雷诺数的修正对矩形横截面螺旋管内冷却水流动和传热特性进行了数值研究。数值分析了在不同入口雷诺数、曲率半径以及扭距条件下,螺旋管内的温度、速度场以及流线的变化,讨论了螺旋管内、外壁面对流传热系数的差异及产生机理,同时与直通管道传热性能进行了比较。研究发现由于离心力的作用,螺旋管内存在显著的二次流动,管内、外侧壁面对流传热存在差异。旋转一周后,螺旋管即进入了流动稳定状态,入口雷诺数可以显著提升螺旋管整体的对流换热效率,扭矩和曲率对内外壁面传热效果的影响不大,而窄高型的横截面构型可以显著改善螺旋管的传热效果。研究结果对应用矩形横截面螺旋管的冷却设计提供参考。     

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。     

微矩形槽内的单相强迫对流换热性能实验

航空电子设备集成度和封装密度的增加给电子元器件的热控制问题带来了严峻的挑战，微槽散热器是解决航空电子元器件散热的一条有效途径。本文设计制作了6种不同结构尺寸徽矩形槽道，采用航空电子设备上最常用的乙醇溶液作为冷却工质，进行了徽槽道内单相强迫对流换热性能实验，分析了流体流速、过冷度和微槽结构等对传热特性的影响。     

激光测速测量湍流分离-再附流动

 <正> 湍流边界层分离研究是当前流体力学中难度极大的课题。有关的试验比较罕见,其重要原因是接触式测速技术对流场有干扰且无方向敏感性,因而难以获得可信数据。激光多普勒测速(LDV)作为非接触测速技术,可以有效地测量间歇反流特征,因此越来越多的研究者倾向于应用LDV研究湍流分离流。迄今为止,应用LDV对分离流的研究一般侧重于分离过程。对整个湍流分离-再附过程进行完整的测量尚不多见。本试验采用二维LDV系统详细地测量了二维非对称曲壁扩压器内的湍流分离-再附流动。     

热线风速仪非标定工况下测试修正方法研究

为提高热线风速仪在非标定温度、压力流场下的测速精度以扩大其应用范围,对热线风速仪的换热理论模型进行了深入分析以及详细的理论推导。以热线的四种换热形式为基础,从理论上对热线探针热丝的换热进行了计算分析,在综合考虑强迫对流、自然对流、辐射换热、支架导热后,发现不同来流速度下的强迫对流占比是不同的。而在同一来流速度下,强迫对流占比几乎不随温度变化而变化,但随压力变化较大。以此为基础,综合考虑了温度、压力引起的物性参数变化对热丝换热的影响,以及由此导致的热丝电压值的变化,最终给出了一种新的适用于非标准工况的热线风速仪测试修正方法及修正公式。与公开文献数据进行了比对,平均误差0.68%,最大误差2.2%。证明该修正方法具有较高精度。     

侧载和管径对管内沸腾两相流性能影响实验

为研究飞行过程中侧向载荷对不同管径内沸腾两相流流动和传热的影响,在自行搭建的实验平台上做了多次实验.通过对实验段内流体的压差、雷诺数、孔隙率、热流密度及传热系数等参数数据的处理分析,研究了侧载和管径对管内沸腾两相流性能的影响.结果表明,动载越大,管内压差越大,管外散热越强,流体流量越小,空隙率越低,流体得热的热流密度越低.动载荷加强了单相流的表面传热系数;但对于沸腾两相流有一个先抑制再增强最后削弱的过程.管径对雷诺数、压差、孔隙率、散热能力等也有显著的影响,较小的管径流动阻力较大,而换热能力则有所提升.      

交叉式多股流板翅式换热器数值研究

借鉴顺逆式板翅式换热器研究成果,分析了交叉式多股流板翅式换热器传热机理,建立了基于有限容积法的多股流板翅式换热器传热数学模型,经过合理假设将翅片间距与单元格尺寸独立,拓展了前人数学模型适用范围.同时,以机载交叉式3股流板翅式换热器为例,对单元格尺寸选取进行了探讨,对同一通道单元格内流体流动横向传热进行了分析,证明了忽略流动横向传热的可行性,从而在保证精度不变条件下提高了计算效率;并在流体变入口参数条件下进行试验,对数值计算方法进行验证,通过与试验数据对比,理论计算误差小于7.9%,证明了数值计算方法的合理性.      

用湍流附面层方程计算喷管内的对流换热

在流场计算的基础上,运用Patankar-Spalding方法积分求解了湍流附面层控制方程组,从而得到了固体火箭发动机喷管内燃气与壁面之间的对流换热。其中在附面层靠近壁面的底层区使用了Gouette流分析,在壁面边界和自由流边界处引入了滑移值的概念,因此保证了计算结果的相对准确性。最后将本文的计算结果与巴兹公式的计算结果和实验结果进行了比较。     

刷式密封流动传热特性数值方法

开展了刷式密封流动传热特性数值方法研究,分别建立了刷式密封多孔介质、稳态实体与瞬态流固热耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏流动特性实验装置,在实验验证数值方法准确性基础上,对比分析了3种数值方法的差异性,研究了刷式密封流动传热特性,揭示了刷式密封的封严与传热机理。研究结果表明:在研究工况下,刷式密封多孔介质、稳态实体、瞬态流固热耦合模型泄漏量计算值与实验值的对比误差分别为9.8%~17.1%、8.1%~10%、6.92%~9.01%。刷式密封多孔介质模型计算速度较快,但需通过实验修正孔隙率,湍流模型对稳态实体模型流动传热特性结果影响较大,瞬态流固热耦合模型考虑了流场、刷丝及摩擦热三者间相互耦合作用,计算精度较高,但所需计算时间较长;同一压比下刷丝束温度从上游至下游逐渐增加,刷丝束最高温度随压比的增加而增大。气流流经刷丝间隙形成的节流效应致使泄漏气流能量耗散是刷式密封封严的主要原因,泄漏气流与刷丝表面间的对流换热是刷式密封摩擦热耗散的主要形式。      

某载人航天器密封隔舱内CMG散热设计与分析

针对某载人航天器密封隔舱内单框架控制力矩陀螺(CMG)的散热问题,设计了射流式强迫对流散热系统,建立了隔舱内流动与传热仿真模型。通过仿真得到CMG转子表面气流和密封隔舱内流场分布特性,通过流动、传导和辐射耦合计算,获得了隔舱内设备温度分布,重点考察了CMG转子散热特性。仿真结果与真空热试验数据一致,验证了CMG散热设计的正确性和仿真模型的准确性。仿真分析方法和结果可为同类型密封隔舱内设备散热分析提供参考。     

主流湍流度对涡轮导向叶片气膜冷却特性影响的实验

采用基于窄带热色液晶的瞬态全表面传热测量技术,研究了主流湍流度对涡轮导向叶片吸力面圆柱形孔排气膜冷却特性的影响规律.结果表明:在实验工况范围内,主流湍流度从0.59%提高至6.85%,可以在气膜出流的上游区域促进气膜贴向壁面并扩大展向覆盖面积,从而改善气膜覆盖效果,但是在主流湍流度较大的工况下,气膜覆盖效果迅速变差;在气膜出流的下游区域,主流湍流度的提高使得气膜冷却效率逐渐降低;主流湍流度的增大,增强了无气膜冷却光滑叶片表面的对流换热;在气膜冷却条件下,气膜出流对叶片表面对流换热的增强效果随着主流湍流度的增大呈现出明显的区域性特点:表面传热系数比在上游区域是先增强后减弱;中游区域是逐渐减弱;下游区域则是逐渐增强.     

街道峡谷湍流流动的风洞试验与数值计算

在１：２５０的风洞模型上,测量街道峡谷的平均流速,湍流度等参数,分析了街道峡谷内的湍流流动状态,探讨了屋顶来流风在街道峡谷内产生复杂流场的主要特征,并用三维湍流流模型对风洞试验模型进行了数值计算,试验和计算结果为研究街道峡谷风环境以及街道峡谷的传热传质过程提供了基础。     

超临界压力下航空煤油水平管内对流换热特性数值研究

采用RNG(renormalization group)k-ε湍流模型和近壁区的Wolfstein一方程模型对超临界压力下大庆RP-3航空煤油在水平圆管内的流动和换热特性进行了数值研究.超临界压力下,由于航空煤油在拟临界点附近热物性的剧烈变化,浮升力将引起显著的二次流动.二次流动使得水平圆管的下表面湍流强度和对流换热增强,而上表面的湍流强度和对流换热减弱.最后分析了两种水平管内对流换热受浮升力影响判别标准在超临界流体中的适用性.