超临界压力下低温甲烷在肋片冷却圆管中的强化传热的数值模拟研究

【摘要】：主动再生冷却技术在保证发动机可靠性和使用寿命方面起着至关重要的作用,因此,在许多航空航天推进和动力系统中得到了广泛应用,包括火箭发动机,超燃冲压发动机和先进的燃气涡轮发动机等。在主动冷却过程中如何通过改变冷却通道的表面特性来达到强化传热的目的是一个非常值得关注的领域。本文通过数值模拟手段,在准确考虑热物性和传输物性变化的情况下,通过准确求解流／固耦合的守恒方程,对超临界压力下低温甲烷在肋片圆管中的湍流流动和强化传热过程开展了深入的计算研究,重点分析了几个关键参数对流动和传热过程的影响,包括肋片形状(方形和三角形肋片),肋片的高度(从0.01到0.05毫米),固体壁面导热系数(从20到400W/mK),壁面热流密度(从1到4MW/m2)以及入口流动速度(从10到20m/s)。数值计算中考虑的工作压力为8MPa,高于甲烷的临界压力4.6MPa。数值模拟结果表明,肋片的引入可以显著提高传热性能,但同时流动压力损失也会大大增加。因此需要采用一个热性能因子来综合评价传热强化和压力损失的影响。本文的分析发现：方形肋片的性能要稍好于三角形肋片；并且在同时考虑传热增强和压力损失的情况下,存在一个最佳的肋片高度；固体导热系数越高,或者壁面热流密度越高,肋片的强化传热作用会变得更加重要；入口流动速度越大,流体的对流换热能力越强,但流动压力损失也会增加,在计算条件下,肋片冷却通道的综合热性能随入口速度的加大而提高。本文的研究结果对在主动再生系统中更有效的利用强化传热技术具有一定的指导意义。 【关键词】：主动再生冷却 超临界压力 肋片 热性能因子 数值模拟
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V430
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 图目录7-9
• 表目录9-10
• 目录10-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 研究背景12
• 1.2 强化传热12-14
• 1.2.1 有源强化传热12-13
• 1.2.2 无源强化传热13-14
• 1.2.3 复合强化传热14
• 1.3 超临界流体及特性14-16
• 1.3.1 物质状态14-15
• 1.3.2 超临界流体物理性质15-16
• 1.4 超临界流体国外研究状况16-18
• 1.4.1 超临界水和二氧化碳16-17
• 1.4.2 超临界航空航天燃料17-18
• 1.5 超临界流体国内研究状况18-20
• 1.6 本文工作20-21
• 第2章 数值计算方法21-35
• 2.1 物理模型21-22
• 2.2 控制方程22-23
• 2.2.1 固体区控制方程22
• 2.2.2 流体区控制方程22-23
• 2.3 湍流方程23-25
• 2.3.1 标准κ-ε两方程模型23-24
• 2.3.2 强化壁面函数法24-25
• 2.4 边界条件25-27
• 2.5 物性计算27-31
• 2.5.1 甲烷的密度计算27-28
• 2.5.2 甲烷的粘性计算28
• 2.5.3 甲烷的导热系数计算28-29
• 2.5.4 甲烷的定压比热计算29-31
• 2.5.5 固体壁面的物性计算31
• 2.6 甲烷物性验证31-33
• 2.7 甲烷数值模型验证33-34
• 2.8 网格生成和独立性分析34
• 2.9 本章小节34-35
• 第3章 几何形状对甲烷超临界湍流换热的影响35-51
• 3.1 肋片形状的影响35-43
• 3.2 肋片高度的影响43-50
• 3.3 本章小节50-51
• 第4章 其他参数对甲烷超临界湍流换热的影响51-74
• 4.1 固体导热系数的影响51-59
• 4.2 壁面热流密度的影响59-68
• 4.3 入口速度的影响68-73
• 4.4 本章小节73-74
• 第5章 总结和展望74-76
• 5.1 工作总结74-75
• 5.2 研究展望75-76
• 参考文献76-82
• 附录A82-83
• 附录B83-84
• 附录C84-85
• 作者简历85

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