航空煤油RP-3超临界压力湍流传热和裂解吸热现象的数值模拟研究

作者： 徐可可   来源： 浙江大学 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 强化传热   主动再生冷却   浮升力   裂解吸热   超临界压力  

描述： 主动再生冷却技术是超燃冲压发动机主要的热防护手段之一。该技术利用发动机自带的吸热型碳氢燃料作为冷却剂,在燃料注入到燃烧室燃烧前,先使其流经布置在发动机壁面内的冷却通道吸收燃烧室释放的热量。冷却过程中压力一般较高,会超过燃料的临界压力,使得整个流动和传热过程都处于超临界压力下。在此状态下,随着温度的升高,燃料相变消失,但其热物性在跨临界区域会发生剧烈的变化。此外,高温下燃料还会发生裂解吸热反应,把部分热量转化为化学能,有效提高了燃料的冷却能力。因此,研究碳氢燃料超临界压力湍流传热和裂解吸热现象对发动机主动再生冷却系统的设计和优化具有非常重要的意义。在本文中,针对超燃冲压发动机的主动再生冷却过程,我们建立了一个用于计算航空煤油RP-3超临界压力流动、传热和裂解现象的数值模型。通过与一系列实验结果的对比,对模型的准确性和可靠性进行了充分的验证。基于该模型,我们开展了详细的数值模拟研究:第一,对超临界压力航空煤油RP-3圆管内的裂解传热现象开展了详细的数值模拟计算,分析了裂解反应、入口速度和热流密度的影响。结果表明当燃料温度达到800K时,强烈的热裂解反应开始发生。裂解吸热反应能有效提高燃料的吸热能力,导致流体温度降低或壁面热流密度增加。在入口段,近壁面区域黏性系数随着温度的增加而迅速降低,使得流动从层流转化为湍流,传热出现强化。在临界区域,热裂解导致燃料物性变化更加剧烈,密度的迅速降低使得流体速度快速增加,当壁面热流密度较低时,有传热强化出现。入口速度的减小和热流密度的增大都使得流体温度升高,从而增加了燃料的热裂解。在高温区域,裂解吸热反应在整个对流换热过程中占据着十分重要的作用,50%以上的热量通过裂解反应被转化为燃料的化学能。第二,对超临界压力航空煤油RP-3在加肋片圆管内的强化传热现象开展了数值模拟研究,分析了肋片、肋片高度和固体导热系数的影响。结果表明加肋片管道能有效提高燃料的对流换热能力。入口处,由于雷诺数较低,流体对流换热效果不佳,肋片的强化作用尤其显著。传热出现强化的主要原因是肋片改变了近壁面流体的流动,低温流体冲击壁面,导致热边界层变薄。同时径向速度的生成也增强了壁面和中心区域流体的对流换热。肋片高度越高,强化传热作用越显著,但同时也会增加沿程压力损失。我们采用了热性能因子来综合评估流体对流换热性能的提升和压力的损失,发现存在一个最佳的肋片高度使得综合热性能达到最大。固体导热系数只影响固体区域温度的分布,导热系数越大,热阻越小,外壁面温度越低。第三,在水平圆管内对航空煤油RP-3超临界压力流动和传热现象开展了数值模拟研究,以电加热的方式对管道进行加热,在不同入口速度和加热电流下分析了浮升力的影响。首先比较了两种加热方式,电加热和等效壁面热流密度,对湍流传热过程的影响,结果发现两者区别不大。在浮升力作用下,低温高密度流体向着管道下方流动,使得下壁面传热出现强化,温度相较于上壁面偏低。同时与不考虑浮升力相比,下壁面温度显著降低,尤其是在入口段,浮升力引起的自然对流能有效抑制传热恶化。与不考虑浮升力相比,管道上壁面温度在入口段也有着明显的下降,这与热流密度在固体壁面内的再分布相关。浮升力作用下,固体区域内管道下方温度偏低使得热流从管道上方向下方移动,导致上壁面热流密度降低,从而使得上壁面温度减小。入口速度的增加和加热电流的降低都使得浮升力的影响变弱。两个浮升力影响判断准则,Gr/Re2.7和Grq/Grth,都不能很好地用于判断浮升力是否会对超临界压力航空煤油RP-3水平圆管内的流动和传热产生影响,需要一定的改进。

超临界压力航空煤油流动与换热特性研究

作者： 胡雪烈   来源： 沈阳航空航天大学 年份： 2020 文献类型 ： 学位论文 关键词： 航空煤油   超临界   人为粗糙元   再生冷却   流动换热  

描述： 超临界压力航空煤油流动与换热特性研究

航空发动机涡轮机匣流动换热特性研究

作者： 陈振华   来源： 南京航空航天大学 年份： 2020 文献类型 ： 学位论文 关键词： 航空发动机   实验研究   涡轮机匣   数值模拟   流动换热  

描述： 航空发动机涡轮机匣流动换热特性研究

竖直圆管内超临界RP-3不稳定流动与传热研究

作者： 王禹宁   来源： 大连理工大学 年份： 2019 文献类型 ： 学位论文 关键词： 3   流动不稳定性   传热特性   航空煤油RP   超临界压力  

描述： 竖直圆管内超临界RP-3不稳定流动与传热研究

超燃冲压发动机燃烧室壁面再生冷却研究

作者： 袁鑫   来源： 沈阳航空航天大学 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 3   超燃冲压发动机   人为粗糙元   再生冷却   RP  

描述： 超燃冲压发动机燃烧室壁面面临着极为恶劣的高温工作环境,严重影响了发动机工作性能,采用航空煤油作为冷却工质对燃烧室壁面进行超临界再生冷却是解决其过热问题的有效方案。分析了航空煤油RP-3三组分模拟替代燃料热物性参数在超临界压力下的变化趋势。对RP-3在圆形冷却管道和矩形通道内的超临界流动和传热现象进行了数值模拟,考察了在通道内壁设置人为粗糙元的形状、间高比和高度,以及矩形通道高宽比对超临界压力下RP-3流动传热过程的影响规律。航空煤油RP-3三组分替代燃料模型计算得出的热物理特性结果总体上与实验数据吻合良好。但目前提出的各种RP-3模拟替代燃料对高温区航空煤油RP-3热物性的预测能力不足,对RP-3航空煤油热物性参数计算时需考虑高温高压下真实航空煤油中大分子化合物的裂解问题。为了能更好的预测RP-3的临界温度,模拟替代燃料总摩尔质量应尽量接近于真实航空煤油RP-3的摩尔质量。相比于矩形或梯形粗糙元结构,三角形粗糙元结构更能避免受热壁面温度的快速上升。人为粗糙元高度为0.1 mm,圆管通道中粗糙元间高比为5、矩形通道中粗糙元间高比为10时,既保证粗糙元附近的涡流充分发展,又能使航空煤油得到后面粗糙元的及时扰动。合理的设置矩形通道高宽比同样能够强化航空煤油与壁面之间的对流换热。

掺氢RP-3航空煤油层流燃烧特性的实验研究

作者： 张存杨   来源： 沈阳航空航天大学 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 层流燃烧速度   燃烧稳定性   3航空煤油   RP   掺氢比  

描述： 随着世界各国航空领域军事竞争日趋激烈,超燃冲压发动机以其结构简单、重量轻等优势受到各国军事研究者的重视。如何实现碳氢燃料的快速点火和稳定燃烧是超燃冲压发动机研制过程中亟需解决的关键问题。研究发现向碳氢燃料中加入活性燃料是解决该问题的有效途径。然而,国内相关领域基础研究数据匮乏。基于此目的,本文开展了H2添加对RP-3航空煤油层流燃烧特性影响的实验研究。为了获得RP-3航空煤油燃烧特性的主要影响因素,在定容燃烧弹中实验测量了初始温度为390~450K、初始压力为0.1~0.7MPa、当量比范围为0.9~1.4条件下RP-3航空煤油的层流燃烧特性。结果表明:低当量比下火焰前锋面光滑,当当量比升至1.4时,火焰前锋面开始出现褶皱;当初始压力由0.1MPa升高至0.7MPa,在火焰发展后期,火焰前锋面开始变得不光滑;火焰发展速度随初始温度的升高而变大。随着当量比的增加或初始压力的升高,马克斯坦长度逐渐变小;初始温度对马克斯坦长度的影响不确定。随着当量比的升高,层流燃烧速度呈现先增大后减小的趋势,在当量比为1.2时达到最大;随着初始压力的降低或初始温度的升高,层流燃烧速度逐渐升高。燃烧压力峰值随当量比的增大呈现先迅速增加后逐渐降低的趋势;随着初始压力的升高或初始温度的降低,燃烧压力峰值逐渐升高。为了阐明氢气添加对RP-3航空煤油燃烧特性的影响,在定容燃烧反应器中实验测量了初始温度分别为390与420K、初始压力为0.1~0.3MPa、当量比范围为0.9~1.5时RP-3航空煤油/氢气混合气的层流燃烧特性。结果表明:在不同的初始温度、初始压力与当量比下,随着掺氢比的提高,混合气火焰前锋面逐渐出现裂纹或褶皱,马克斯坦长度逐渐减小,火焰不稳定性增强。同时,随着掺氢比的提高,RP-3航空煤油/氢气混合气的层流燃烧速度逐渐增大,燃烧压力峰值逐渐升高。

RP-3航空煤油的着火和成烟特性研究

作者： 刘旺   来源： 上海交通大学 年份： 2020 文献类型 ： 学位论文 关键词： 碳烟   着火   燃烧   3航空煤油   RP  

描述： RP-3航空煤油的着火和成烟特性研究

亚/超临界压力下航空煤油导热特性计算模拟研究

作者： 高月   来源： 华北电力大学 年份： 2021 文献类型 ： 学位论文 关键词： 正癸烷   分子动力学   3航空煤油   热导率   RP  

描述： 亚/超临界压力下航空煤油导热特性计算模拟研究

国产RP-3航空煤油模拟替代燃料燃烧特性的试验研究

作者： 罗睿   来源： 沈阳航空航天大学 年份： 2019 文献类型 ： 学位论文 关键词： 模拟替代燃料   燃烧稳定性   层流燃烧特性   3航空煤油   RP  

描述： 国产RP-3航空煤油模拟替代燃料燃烧特性的试验研究

RP-3航空煤油化学反应机理研究及其超声速燃烧仿真应用

作者： 李源   来源： 北京交通大学 年份： 2017 文献类型 ： 学位论文 关键词： 过渡态计算   化学反应机理   超声速燃烧   仿真研究   简化机理   3航空煤油   RP  

描述： 由于具有超强动力特性,超燃冲压发动机的军事战略地位极高,基于此,世界各国近年来开展了大量超声速燃烧相关的研究工作,但超声速燃烧仿真面临着湍流与化学反应动力学的双重困难,因而航空煤油的化学反应机理研究是超声速燃烧的一个重要研究方向。本文通过对国产RP-3航空煤油进行研究,明确了其主要由链烷烃、芳香烃及环烷烃构成,经论证分析,采用正十二烷替代链烷烃组分,对二甲苯或乙基苯替代芳香烃组分,三甲基环己烷或丙基环己烷替代环烷烃组分,通过排列组合,共提出了四种不同组合的RP-3航空煤油替代燃料。对于多种组分构成的替代燃料,本文采用大分子子机理加小分子核心机理的方法来构建其化学反应机理。对于已有完整化学反应机理的组分:正十二烷、对二甲苯、乙基苯、三甲基环己烷,采用相关手段提取得到了它们的大分子子机理,而丙基环己烷则是通过Gaussian计算获得了其大分子子机理,小分子核心机理采用的是比较通用的USC-Ⅱ机理。最终,与实验结果验证对比的结果表明由正十二烷、乙基苯及丙基环己烷构成的替代燃料的机理较为适用。应用该机理进行超声速燃烧仿真之前,为平衡CFD仿真的计算成本,本文首先采用ReaxRed程序包对详细机理进行了 DGR简化和CSP简化,得到了一个85组分346步基元反应的简化机理,然后利用主路径分析的方法对大分子子机理进行简化得到一个65组分264步反应的简化机理,再采用ReaxRed程序包对简化机理中的小分子部分进行简化,最终得到一个43组分97步基元反应的简化机理,并验证了该简化机理的适用性。本文采用简化机理进行了 RP-3航空煤油在双燃烧室冲压发动机内燃烧过程的研究,通过对比采用总包反应时超燃燃烧室内燃烧流场的仿真结果,表明了采用简化机理时燃烧室内的燃料燃烧放热过程更加合理。在此基础上开展了亚燃燃烧室出口燃气参数对超燃燃烧室内燃烧流场的影响研究,结果表明亚燃燃烧室出口燃气温度增加时有利于超燃燃烧室内的燃烧释热,而亚燃燃烧室出口燃气马赫数增加时,超燃燃烧室内的燃烧效果变差。