超临界压力下航空煤油换热和流阻特性数值研究

作者： 王壮壮   张登成   周章文   罗浩   詹韧   孙四海   来源： 第八届中国航空学会青年科技论坛 年份： 2018 文献类型 ： 会议论文 关键词： 航空煤油   流动压力损失   传热   超临界压力  

描述： 超临界压力下航空煤油换热和流阻特性数值研究

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。

超临界压力航空燃料热声不稳定流动实验研究

作者： 王彦红   李素芬   来源： 工程热物理学报 年份： 2021 文献类型 ： 期刊 关键词： 航空煤油   热声不稳定   边界预测   发展过程   超临界压力  

描述： 对竖直圆管内超临界压力航空煤油的热声不稳定流动进行了实验研究。考察了不稳定流动工况壁温的振荡特征和发展过程,分析了运行参数对不稳定流动的影响机制,获得了不稳定流动的边界,实现了临界热流密度的预测,弥补了对其发展过程和边界预测研究的不足。结果表明:高热流密度下通道内煤油依次经历三种拟沸腾流动不稳定过程.振荡声响分为三类,基本处于低频范围。根据临界热流密度随质量流量、进口温度和进口压力的变化规律,通过无量纲化建立了不稳定流动的起始预测准则。

矩形通道内航空煤油流动换热数值研究

作者： 王壮壮   周章文   张登成   粟银   来源： 空军工程大学学报(自然科学版) 年份： 2020 文献类型 ： 期刊 关键词： 3煤油   矩形通道   超临界压力   RP   流动换热  

描述： 矩形通道内航空煤油流动换热数值研究

竖直下降圆管内超临界压力RP-3航空煤油传热恶化实验研究

作者： 王彦红   东明   李素芬   陆英楠   来源： 推进技术 年份： 2022 文献类型 ： 期刊 关键词： 航空煤油   拟沸腾数   临界准则   传热恶化   超临界压力  

描述： 为理解空-油换热器中的冷却换热特性，对竖直下降圆管内超临界压力RP-3航空煤油的换热进行了实验研究。探究了稳态换热特征和换热机理，探讨了质量流量、热流密度、运行压力和进口温度对换热的影响；基于拟沸腾数提出了传热恶化的临界准则以及壁温最大飞升值的预测准则；通过浮升力和热加速判别准则分析了两者对换热的影响；实现了换热关联式预测。结果表明：浮升力和热加速对换热的影响可以忽略。拟沸腾换热机制，即近壁流体膨胀力相比惯性力占主导时，类气态流体层覆盖壁面是传热恶化的原因。当拟沸腾数高于2.5×10-4时，拟沸腾换热机制起作用。最后，探究了泄压过程中的瞬态换热特征。泄压过程中拟沸腾数不断增大，传热恶化加剧，高泄压速率下甚至出现壁温波动。

竖直下降圆管内超临界压力RP-3航空煤油传热恶化实验研究

作者： 王彦红   东明   李素芬   陆英楠   来源： 推进技术 年份： 2022 文献类型 ： 期刊 关键词： 航空煤油   拟沸腾数   临界准则   传热恶化   超临界压力  

描述： 为理解空-油换热器中的冷却换热特性，对竖直下降圆管内超临界压力RP-3航空煤油的换热进行了实验研究。探究了稳态换热特征和换热机理，探讨了质量流量、热流密度、运行压力和进口温度对换热的影响；基于拟沸腾数提出了传热恶化的临界准则以及壁温最大飞升值的预测准则；通过浮升力和热加速判别准则分析了两者对换热的影响；实现了换热关联式预测。结果表明：浮升力和热加速对换热的影响可以忽略。拟沸腾换热机制，即近壁流体膨胀力相比惯性力占主导时，类气态流体层覆盖壁面是传热恶化的原因。当拟沸腾数高于2.5×10-4时，拟沸腾换热机制起作用。最后，探究了泄压过程中的瞬态换热特征。泄压过程中拟沸腾数不断增大，传热恶化加剧，高泄压速率下甚至出现壁温波动。

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

S型通道内超临界RP-3航空煤油换热特性研究

作者： 王彦红   李雨健   李洪伟   李素芬   东明   来源： 工程热物理学报 年份： 2022 文献类型 ： 期刊 关键词： S型通道   强化换热   迪恩涡   3航空煤油   超临界压力   RP  

描述： 为深入理解空–油换热器的主动冷却问题，开展了S型圆管中超临界RP-3航空煤油的换热数值研究。通过管截面温度和流线的分布情况解释了内壁温度、内壁热流密度、换热系数沿流动方向的变化特征。探究了两个弯管段密度、流速和湍动能的分布情况，以揭示离心力对换热的作用机制。通过离心力参数、迪恩数、二次流动能对离心力影响进行了量化评估。结果表明：离心力导致两次壁温和热流周向非均匀分布以及强化换热问题。相比上游弯管段，下游弯管段的离心力作用更强，迪恩涡更显著，二次流动能更大。提高压力、降低热流密度、提高质量流速对离心力影响起到抑制作用。

螺旋管几何参数对超临界压力正癸烷湍流流动与传热的影响

作者： 孙星   徐可可   孟华   来源： 中国航天第三专业信息网第三十八届技术交流会暨第二届空天动力联合会议 年份： 2017 文献类型 ： 会议论文 关键词： 换热性能   湍流流动   传热强化   正癸烷   换热系数   先进航空发动机   二次流   螺旋管   超临界压力   几何参数  

描述： 在先进航空发动机中,采用高比热容的碳氢燃料作为冷源对冷却空气进行预先冷却(cooled cooling air,CCA),不仅可以提高空气的冷却能力,而且有利于随后燃料的雾化及燃烧过程。在实际应用中,可以采用螺旋管式换热器来提高燃料-空气的换热效果。本文对超临界压力下正癸烷在螺旋管内的湍流流动与传热现象开展了数值模拟研究,着重讨论了几何参数(曲率和扭矩)对螺旋管对流换热性能的影响。结果表明,与直管相比,螺旋管由于二次流作用,换热效果得到很大改善,换热系数最大能提高50%,壁面平均温度最大能降低160K;曲率在入口段对螺旋管换热性能有着很大的影响,曲率越大,壁面平均温度越低,这是因为在二次流作用下,管道外侧的传热强化现象显著;扭矩对螺旋管换热性能影响不大;在本文的计算工况下,Pizza等人提出的螺旋管换热Nu数经验公式同样适用于超临界压力下正癸烷的传热计算。

考虑浮升力影响的矩形通道内航空煤油流动换热数值研究

作者： 王壮壮   张登成   周章文   粟银   来源： 弹箭与制导学报 年份： 2020 文献类型 ： 期刊 关键词： 3煤油   过载   浮升力   二次流   矩形通道   超临界压力   RP   流动换热  

描述： 考虑浮升力影响的矩形通道内航空煤油流动换热数值研究