微细圆管内超临界航空煤油传热特性实验研究

【类型】学位论文

【作者】浦航 

【关键词】 超临界压力 航空煤油 传热特性 关联式

【摘要】航空发动机在工作过程中会产生极高的热负荷。随着航空技术的不断发展,飞行器的马赫数将不断提高,其空气动力学加热也会更加严重。未来航空发动机的冷却问题将愈发严峻,成为制约其性能进一步提高的重要因素。目前,采用航空燃料替代外涵空气作为冷源来降低发动机热端部件温度的做法已成为解决这一问题最具潜力的途径。本文以航空发动机热管理问题为背景,对超临界航空煤油在微细圆管内的对流传热特性进行实验研究,为未来航空发动机空-油换热器的设计与优化提供理论参考。本文首先对超临界流体传热及流动相关研究进行了归纳,对现有超临界流体传热经验关联式进行了总结和分析。在此基础上以中国RP-3航空煤油为研究对象进行对流换热实验,测定了该种航空煤油在不同工况下流过微细圆管的传热数据。实验中航空煤油做竖直向上流动。实验压力为3MPa及5MPa,热流密度范围为300k W/m2-500kW/m2,入口温度范围为373.15K-573.15K,质量流量范围为2g/s-2.5g/s。本文对热流密度、压力、入口温度及质量流量四种因素对于换热的影响进行了讨论和分析,结果表明：5MPa压力下随着热流密度的增加对流换热逐渐增强,而3MPa压力下在热流密度较高时会发生传热恶化现象；入口温度较低时实验管前1/3处内壁温会由于热边界层未发展完全而偏高；随着质量流量的增加,对流换热逐渐增强。其次,本文对实验中观察到的传热及流动不稳定现象进行了描述和简要分析,结果表明：不稳定现象的发生伴随着管壁的轻微振动及尖锐声响；不稳定现象均发生在低压力、低入口温度及高热流密度工况下；不稳定现象发生时,出口温度的振荡幅度小于实验管外壁温的振荡幅度。因此,在航空发动机空-油换热器设计中,应适当提高煤油侧工作压力以避免传热恶化的发生,提升换热效果；同时压力的提高还可以抑制传热及流动不稳定现象的出现,减轻周期性应力对换热器的破坏作用。最后,本文选取六种现有传热经验关联式进行计算,并与实验结果进行对比和误差分析,讨论了其在不同工况范围的适用性。结果表明：Krasnoshchekov公式、Dittus-Boelter公式及Sieder-Tate公式误差较大,适用性差；Hu公式和Gnielinski公式在正常传热阶段下精度较高,但无法对传热恶化现象进行描述,适用性有限；Jackson公式与实验结果具有相似的趋势,但数值上与实验结果相比存在一定误差,适用性有限；所有六种传热经验关联式均无法对传热恶化现象进行准确描述。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】大连理工大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】李素芬

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