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。      

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。     

源项不准确加载对源项法模型仿真精度的影响

针对平板多孔气膜冷却结构开展了真实模型和源项法模型数值仿真,在同实验数据对比取得较高精度的基础上探究了源项不准确加载对源项法模型仿真精度的影响,分析了加载方式、流量系数、网格参数等影响因素。结果表明:源项法模型可以代替建立带气膜孔真实模型对气膜冷却结构进行数值计算。网格准确定位的源项加载方式在粗细网格条件下均能取得较高的精度,点源项加载方式对网格较为敏感。因流量系数公式不准确导致的流量计算误差会影响源项法模型的计算精度,低吹风比下影响更为显著。气膜孔进出口处网格面密度应不少于4个/mm2,第一层网格高度的选取应符合所选用的湍流模型,以保证较高的计算精度。     

基于物理神经网络的导热问题无网格计算方法

建立了物理神经网络（PINNs）求解导热问题的通用框架,描述了三维非稳态问题、初始条件和三类边界条件及曲面边界的处理方法。使用PINNs求解了一个一维导热问题。求解结果与理论解的最大相对误差为0.001 7%,平均相对误差为0.001 1%。使用一个简化叶片的导热问题作为案例,将PINNs与传统有限元方法进行对比,探究了PINNs不同的网络架构和超参数对结果的影响。对于简化叶片的导热问题,有限元方法求解时间为11.7 s,PINNs平均求解时间为8.96 s,求解结果的最大误差为1.03%,平均误差为0.139%。微调实心叶片的内冷源强度,在训练收敛的PINNs基础上重新采样计算,新的计算收敛时间为1.41 s,证明了PINNs方法具有设计条件微调时的快速计算能力。     

超临界碳氢燃料流动换热的一维模型

考虑水平圆管内燃料流动换热过程和裂解反应及结焦过程之间的相互影响,提出一个一维稳态模型来研究碳氢燃料的流动换热过程与裂解反应的耦合特性。选用正癸烷作为替代燃料,裂解反应采用正癸烷裂解的一步总体化学反应模型,结焦过程采用一维结焦工程模型进行数值模拟,结果表明裂解反应能够强化换热。选择不同的管壁面热流密度、进口压力和质量流量等典型工况进行模拟,表明流动换热过程影响燃料裂解反应速率和在管内的驻留时间,从而影响裂解度。计算结果与实验数据的对比表明了程序的可靠性,加上一维程序计算效率高的优点,可将应用于快速工程计算,并为三维数值模拟提供支持。      

应用各向异性湍流模型对气膜冷却的数值研究

应用引入各向异性系数的k-w湍流模型和标准k-ε模型,对平板气膜冷却经典实验进行了数值研究,分析了各向异性系数的引入对气膜孔下游流场与温度场的影响机理,探讨了该系数的适用性问题.研究表明:①展向各向异性系数的引入,增加了流体在展向的湍流脉动,强化了气膜冷气沿展向的扩散;②各向异性模型的计算结果在低吹风比(M=0.5)的工况下与实验值符合得较好;③各向异性系数在气膜脱离壁面与主流掺混的区域适用性较差.      

旋转状态下叶片前缘复合换热实验

通过液晶示温瞬态实验方法,对旋转状态下涡轮叶片前缘带气膜出流的冲击冷却结构的换热特性进行了研究,获得了哥氏力、离心力对复合换热效果的影响.实验参数:射流进口雷诺数R_e=4 000,旋转数R_o=0~0.139.实验结果表明:随着旋转数的升高,实验模型的整体换热效果逐渐减弱,在旋转数为0.139时,与静止状态相比冲击面平均努塞尔数Nu下降了33%,压力面和吸力面分别下降了20.5%和7.5%;哥氏力的作用加速了射流的扩散,是造成旋转换热减弱的主要原因;哥氏力和离心力的共同影响使得吸力面的换热好于压力面;气膜孔的存在改变了流动结构,极大的增强了孔周边区域的换热效果.      

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。     

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。