超臨界壓力航空煤油熱聲振蕩與傳熱惡化的機(jī)理及預(yù)測研究.pdf

1、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作于燃燒放熱和氣動(dòng)加熱引起的極端惡劣環(huán)境下，面臨著嚴(yán)峻的材料熱防護(hù)問題。采用吸熱型碳?xì)淙剂献鳛槔鋮s劑的再生冷卻，通過燃料的物理熱沉和化學(xué)熱沉吸收熱量，可以高效地解決這一問題。在再生冷卻通道內(nèi)，碳?xì)淙剂瞎ぷ鲏毫Ω哂谄渑R界壓力，超臨界壓力下熱物性特殊變化引發(fā)了復(fù)雜的流動(dòng)傳熱現(xiàn)象。因此，研究超臨界壓力下碳?xì)淙剂系牧鲃?dòng)傳熱過程對(duì)再生冷卻技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。
　　目前，對(duì)超臨界壓力下碳?xì)淙剂狭鲃?dòng)傳熱過程的研究雖然較為豐富

2、，但是對(duì)熱聲振蕩和傳熱惡化的機(jī)理以及預(yù)測問題還少見報(bào)道。本文基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，以RP-3航空煤油為研究對(duì)象，開展了相關(guān)的研究。
　　首先，對(duì)超臨界壓力航空煤油在豎直上升圓管內(nèi)的非穩(wěn)定流動(dòng)換熱和穩(wěn)定流動(dòng)換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。1）對(duì)于非穩(wěn)定流動(dòng)換熱，填補(bǔ)了過渡區(qū)熱聲振蕩形成機(jī)理、臨界條件、振蕩后換熱性能量化預(yù)測研究的欠缺。研究表明:進(jìn)口雷諾數(shù)低于4100時(shí)，厚的熱邊界層促發(fā)黏性邊界層的周期性不穩(wěn)定，出現(xiàn)了熱聲振蕩現(xiàn)象。隨著

3、熱流密度或壓力提高，黏性邊界層波動(dòng)減弱，熱聲振蕩減弱。隨著質(zhì)量流率提高，熱邊界層轉(zhuǎn)捩過程縮短，熱聲振蕩也受到抑制。同時(shí)，振蕩壁溫高于擬臨界溫度后，周期性的擬沸騰效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步加劇熱聲振蕩現(xiàn)象。采用進(jìn)口擬過冷度和出口擬相變數(shù)兩個(gè)無量綱數(shù)描述穩(wěn)定性邊界，首次建立了利用運(yùn)行參數(shù)對(duì)熱聲振蕩預(yù)測的關(guān)系式，以及振蕩后換熱預(yù)測的關(guān)系式。2）對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)換熱，詳細(xì)考察了傳熱惡化的形成機(jī)理，解決了換熱的量化預(yù)測問題。研究表明:低質(zhì)量流率下，過渡區(qū)傳熱惡化是

4、由浮升力和熱加速引起的，采用浮升力項(xiàng)和熱加速項(xiàng)修正建立了換熱關(guān)系式，湍流區(qū)傳熱惡化是由浮升力引起的，采用浮升力項(xiàng)修正建立了換熱關(guān)系式。高質(zhì)量流率下，過渡區(qū)傳熱惡化是由浮升力引發(fā)的，湍流區(qū)傳熱惡化是由類膜態(tài)沸騰導(dǎo)致的，分別采用密度項(xiàng)和導(dǎo)溫系數(shù)項(xiàng)修正建立了過渡區(qū)，和湍流區(qū)的換熱關(guān)系式。
　　其次，在數(shù)值方法可靠性得到充分驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)超臨界壓力航空煤油在豎直圓管和水平圓管內(nèi)的對(duì)流換熱進(jìn)行了數(shù)值研究。與實(shí)驗(yàn)研究不同，根據(jù)熱流密度選擇不

5、同的管道長度，以獲得完整的流動(dòng)換熱過程。1）對(duì)于豎直圓管，著重考察了傳熱惡化的形成機(jī)理和臨界條件，研究表明:低主流溫度區(qū)和高主流溫度區(qū)發(fā)現(xiàn)了兩類傳熱惡化現(xiàn)象。前者對(duì)應(yīng)管段近壁湍動(dòng)能和壁面剪切力異常分布，傳熱惡化是由熱加速引起的;后者對(duì)應(yīng)管段徑向流速和近壁質(zhì)量流率異常分布，傳熱惡化是由不平衡壓差引起的，是一種類膜態(tài)沸騰現(xiàn)象。首次構(gòu)建了類膜態(tài)沸騰的作用機(jī)制，解決了類膜態(tài)沸騰作用的臨界條件預(yù)測問題，其熱流密度臨界值與質(zhì)量流率和壓力之間均呈線性

6、增長關(guān)系。2）對(duì)于水平圓管，重點(diǎn)分析了二次流的演變規(guī)律、二次流對(duì)傳熱惡化的影響機(jī)制、二次流作用的量化預(yù)測等問題，研究表明:擬臨界區(qū)強(qiáng)二次流效應(yīng)與類膜態(tài)沸騰效應(yīng)疊加，出現(xiàn)了沿管周向非均勻的傳熱惡化現(xiàn)象。通過格拉曉夫數(shù)表征二次流的影響，建立了管頂部和管底部換熱差異的預(yù)測關(guān)系式。
　　最后，基于再生冷卻通道的實(shí)際結(jié)構(gòu)和受熱方式，對(duì)通道頂壁面外側(cè)施加恒定熱流密度和恒定溫度條件下方形通道內(nèi)超臨界壓力航空煤油的流動(dòng)傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值研究，著重

7、解決了固壁熱傳導(dǎo)和傳熱惡化的耦合機(jī)制以及固壁內(nèi)側(cè)的熱流密度量化預(yù)測問題。1）恒定外壁熱流密度條件下，研究表明:傳熱惡化出現(xiàn)在擬臨界區(qū)，表現(xiàn)為加熱側(cè)內(nèi)壁面壁溫突增且熱流密度劇減的綜合特征。采用溫度項(xiàng)修正建立了該換熱情況下加熱側(cè)內(nèi)壁面和側(cè)壁面內(nèi)側(cè)熱流密度的預(yù)測關(guān)系式。2）恒定外壁溫度條件下，研究表明:傳熱惡化出現(xiàn)在壁面流體比熱容達(dá)到峰值以后，僅表現(xiàn)為加熱側(cè)內(nèi)壁面熱流密度異常減小的單一特征。采用體積熱容項(xiàng)修正建立了加熱側(cè)內(nèi)壁面和側(cè)壁面內(nèi)側(cè)熱流