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

【摘要】：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。 【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：V235.211

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