竖直螺旋管中超临界RP-3航空煤油换热数值研究

针对空-油换热器的冷却换热问题,开展了竖直螺旋管中超临界RP-3航空煤油换热的数值研究。探究了不同运行参数和结构参数下的换热特性和换热机理,包括沿流动方向的平均换热情况和沿管道周向的局部换热情况。考察管截面温度和二次流的分布情况,通过流速和湍动能径向差别阐述了离心力对换热的作用机制,基于误差分析得到合理的换热关联式。结果表明:管下游表现为强化换热机制,低压力下还观察到局部传热恶化问题;离心力导致流体域温度横向异常分层,边界层厚度周向不均匀,管截面出现二次流;管外侧流速和湍动能高,换热显著优于管内侧;提高运行压力、降低热质比、增大绕径、增大螺距均抑制离心力作用,致使二次流强度减弱;Merkel换热公式可以较好实现螺旋管内航空煤油的换热预测。

镓铟锡合金—航空煤油U型套管换热器的传热特性研究

以液态镓铟锡合金作为冷却剂的换热方案有可能成为解决发动机燃烧室壁面温度过高的优良方案。液态镓铟锡合金在吸收燃烧室壁面的热量后需通过换热器将热量传递给飞机上的燃油,燃油在换热过程中伴随着裂解反应。对镓铟锡合金-航空煤油U型套管换热器内航空煤油的裂解与换热特性过程进行研究。研究结果表明:与不考虑裂解反应相比,考虑裂解反应的换热过程的热侧流体出口温度降低了14.39K,冷侧流体出口温度降低了5.85K,传热量增加了28.9W。其出口温度降低,同时传热量增加是由于裂解反应提供的额外的化学热沉。RP-3入口温度、RP-3入口流量、镓铟锡合金入口温度、镓铟锡合金入口流量对两侧流体的出口温度和传热量均有显著的影响。RP-3流量增加的情况下裂解反应对传热起增强作用;镓铟锡合金流量增加时,裂解反应对传热起恶化作用。裂解反应引起的传热强化与恶化相伴相随。与此同时发现换热器内高流速流体区域沿着流动方向逐渐向管外侧偏移,管内温度分层现象显著,流场分布的不均性明显。

航空煤油RP-3热裂解结焦流动换热特性实验研究

为了掌握超燃冲压发动机再生式热防护结构中结焦对传热的影响,在压力为3MPa,质量流量为0.5g·s^(-1),热流密度分别为325、365和374kW·m^(-2)的实验条件下,对Φ3mm×0.5mm的高温合金钢管内航空煤油RP-3热裂解结焦过程的流动和换热特性进行了研究,并比较了结焦前后管内对流换热特性的差异。结焦过程中试验件压降出现了突然降低的现象,随着结焦反应的进行,试验件外壁面温度在逐渐降低。分析得知:结焦是不稳定的过程,伴随着结焦产物的沉积与脱落,壁面温度越高结焦速率越快;结焦会在管道内壁形成多孔结构层,当近壁处流体温度接近或高于拟临界温度时,多孔层将会使超临界"拟沸腾"换热得到强化,然而当近壁处流体温度低于"拟沸腾"所需温度时,结焦层的热阻效应使传热发生恶化。

浮升力对水平管内超临界航空煤油传热影响数值研究

对超临界RP-3航空煤油在内径为10mm、长度为8 000mm的水平圆管内的流动与传热特性进行了数值模拟研究,重点考察了超临界航空煤油在拟临界区热物性的奇异变化对水平管内传热的影响.通过与实验数据的对比,验证了计算模型的可靠性;根据近壁区流体状态将整个换热过程分成4个阶段,并利用截面中垂线上的密度分布和二次流速度定性分析了二次流沿管轴向的变化规律,以解释壁温异常分布的机理;引入截面相对横向动能对二次流的强度进行描述,讨论了质量流速及热流密度对二次流和壁温分布的影响规律;最后,分析了浮升力影响判别准则在水平管超临界航空煤油对流换热中的适用性.计算结果表明,二次流的演变规律能合理地解释水平管内超临界RP-3航空煤油的非均匀传热机理.

煤油在内螺纹管中流动沸腾强化传热特性

针对石油化工过程中沸腾传热设备技术改造的需要 ,在 3× 1 0 5Pa (绝对压力 )的条件下 ,对煤油在垂直内螺纹管中的上升流动沸腾传热进行了实验研究 ,将实验结果同煤油在光管中的实验结果进行了比较 .实验结果表明 ,内螺纹管中的沸腾换热系数是光管的 1 6～ 2倍 ,并且可在小温差条件下实现流动沸腾传热 .提出了煤油在内螺纹管中的流动沸腾换热系数的关联式 ,并对煤油在内螺纹管中的流动沸腾特性和强化传热机理进行了分析 .

超临界压力下航空煤油RP-3在水平细圆管内对流换热特性实验研究

为探究超临界压力下碳氢燃料在水平管内的对流换热规律,文章针对超临界条件下航空煤油RP-3在水平细圆管内的对流换热,分析了热流密度、进口雷诺数及浮升力对对流换热的影响。研究表明:沿流动方向,管内表面传热系数随热流密度的增大先减小后增大;在低进口温度及低进口雷诺数情况下,管内换热均出现先恶化后强化的现象,而随着进口温度和雷诺数的增加,此现象消失;浮升力对换热的影响随热流密度的增加而增加;浮升力对下表面换热的加强使得入口效应的影响在下表面先于上表面结束;受浮升力影响,上下壁最大温差可达50 K;质量流速的增加会抑制浮升力对换热的影响;准则数Grq/Grth可以很好地反映浮升力的变化趋势。以上研究结果可为采用碳氢燃料作冷却介质的各类飞行器主动热防护技术方案提供技术支撑。

添加减阻剂的火箭煤油流阻与传热特性研究

针对液氧/煤油发动机性能提升时管路流阻大的问题,采用电传热试验系统研究了高分子减阻剂对模拟管路中高流速火箭煤油的流阻与传热特性的作用效能,并采用分析仪器考察了高分子减阻剂的添加对火箭煤油理化性能的影响。研究结果表明,含有0. 05%减阻剂的火箭煤油的理化性能满足《液体火箭发动机用煤油规范》关键技术指标要求;减阻剂的添加对火箭煤油产生一定的减阻效果,在流速20～60 m/s,温度50～200℃范围内,JZ-1的减阻率达60. 3%～76. 4%,JZ-2的减阻率为33. 1%～48. 4%;而减阻剂的添加降低了火箭煤油的传热性能,且减阻剂分子量越大传热性能降低越明显,在流速50 m/s,温度175℃时,添加JZ-1,JZ-2后火箭煤油传热系数分别下降32. 8%,8. 3%。从减阻剂在改变流动阻力和传热两方面评价,JZ-2对火箭煤油具有较佳的综合性能。

低流阻火箭煤油的超临界压力流动与换热特性

为探索超临界压力下减阻剂对高温火箭煤油的减阻效果,在压力为15 MPa、质量流速为17 000～50 000kg·m-2·s-1(对应常温流速约20～60m·s-1)、流体温度从常温至360℃和热流密度为2.5～30MW·m-2的试验条件下,对火箭煤油和添加减阻剂的低流阻火箭煤油在直径2mm×0.5mm的高温合金钢管内的流动与换热特性进行了研究。研究发现:在本文研究条件下,煤油传热机理为超临界压力单相类液态强制对流换热;减阻剂对火箭煤油的减阻效果明显,减阻率最高可达60%;随着流体温度升高,雷诺数增大,减阻剂的减阻效果降低,减阻率最低下降至约20%;添加减阻剂后,煤油传热性能显著弱化,但高雷诺数下减阻煤油的换热性能基本维持不变,减阻煤油与火箭煤油的努塞尔数之比约为0.5;雷诺数小于63 000时减阻效果大于传热弱化效果,大于63 000时结果相反。

U形圆管中超临界压力RP-3航空煤油换热数值研究

基于航空发动机空-油换热器的冷却换热问题,开展了竖直U形圆管内超临界压力RP-3航空煤油换热的数值研究。探究了进口竖直段、弯管段、出口竖直段的换热特征和换热机理,阐述了运行压力和热质比对换热的影响机制。结果表明:进口竖直段呈现均匀换热的特征。弯管段离心力作用致使流体温度出现异常分层,周向密度不均匀,横向不平衡动能诱发强二次流问题,最大二次流速度达到0.45 m·s-1。固体热传导过程也受到影响,出现固体温度异常分层。两者综合作用下导致管壁温度和热通量的周向差别。出口竖直段的周向换热差别依然存在,二次流被削弱。提高运行压力或降低热质比,管截面热物性变化趋缓,周向换热差别减弱。

高能合成煤油GN-1性能研究

为了获得高能合成煤油(GN-1煤油)物化性能随温度和压力的变化规律,掌握GN-1煤油与现役火箭煤油在应用特性方面的差异,采用理论计算和实验方法,对GN-1煤油在物化性能(密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力)变化规律、安全特性(闪点、自燃温度、燃点、爆炸极限、毒性)、流动传热与结焦特性以及点火延迟特性进行了研究,并与火箭煤油进行了对比。通过实验研究得到了最高温度不超过200℃,最高压力不超过25MPa下GN-1煤油的密度、黏度、定压比热容、导热系数、表面张力实验数据,结合理论计算,获得了GN-1煤油在-40~350℃,0.1~60MPa内热物性变化规律,并与火箭煤油进行了对比。此外,研究结果还表明:GN-1煤油的闪点为40℃(低于火箭煤油闪点74℃),自燃温度为305℃(高于火箭煤油自燃温度225℃),燃点为47℃(低于火箭煤油燃点82℃),爆炸极限为0.44%~2.9%(40℃),GN-1煤油和火箭煤油急性经口毒性LD_(50)>5000mg/kg。在入口压力10MPa,流速10m/s,内壁温480℃条件下,GN-1煤油的传热系数比火箭煤油提高14.4%。在采用GH3128高温合金管条件下,GN-1煤油出口油温220℃时试验段平均结焦速率是出口油温150℃时的4.43倍,GN-1煤油316L不锈钢管路中试验段平均结焦速率为GH3128高温合金管路中的22.3%。在970~1105K内,GN-1煤油的点火延迟时间为火箭煤油的55.6%~69.3%。

超临界压力下浮升力对航空煤油流动换热影响

通过RNG两方程模型结合增强壁面处理法的数值方法,研究了不同重力加速度下,浮升力对超临界压力下水平圆管内RP-3煤油流动换热的影响。建立、验证了计算模型;分析了RP-3煤油在拟临界区热物性变化,并对流动换热受浮升力影响判别准则的适用性进行了比较分析。结果表明:在拟临界温度附近煤油热物性的剧烈变化导致的浮升力作用下,水平圆管内产生较强的二次流动;二次流动减弱上壁对流换热,增强下壁对流换热,增大下壁摩擦阻力,减小上壁摩擦阻力,流动压力损失略有增大;随着重力加速度的增大,浮升力对换热和流动的影响更加显著;最后分析得出Protopopov准则能较好地描述浮升力对超临界压力煤油换热的影响规律和程度。

小通道内高参数火箭煤油流动传热特性研究

为探究火箭煤油在实际工程应用中的流动传热特性,在直径为2 mm、壁厚为0.5 mm的水平圆形小通道内进行了实验研究,实验参数为压力25 MPa、热流密度2~35 MW·m-2、质量流速8000~48000 kg·m-2·s-1。根据实验结果,讨论了质量流速、工质入口温度和热流密度对火箭煤油流动传热特性的影响,拟合得到了高参数火箭煤油的对流传热关联式,并引入概率密度函数(PDF)来减缓超临界煤油热物性随温度的剧烈变化。结果表明:超临界压力下煤油传热类似单相液体强制对流传热,传热系数沿流向递增;质量流速、入口油温和热流密度的增大均可带来传热强化。低雷诺数下,质量流速越大,入口油温越低,流阻越大;雷诺数大于105时,摩擦阻力系数主要取决于管壁相对粗糙度,与雷诺数无关。新的拟合传热式考虑了各物性参数的影响,可将平均预测偏差降至7.3%;同时,基于PDF的传热模型可以平滑拐点温度附近热物性的不连续快速变化,在388~430℃的范围内有效降低预测误差。

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

为了考察浮升力对再生冷却矩形通道内煤油流动换热的影响,通过施加过载来模拟浮升力效应,采用数值方法研究了RP-3航空煤油在矩形通道内的流动与换热特性,引入了二次流速度参数分析二次流的变化规律。结果表明:随着过载的增加,浮升力效应更加明显,通道内二次流速度增大;燃烧室上壁面和两侧壁面冷却通道最高壁温均减小4.5%以上,传热恶化现象得到明显改善,但下壁面冷却通道最高壁温略有提高。

矩形通道内航空煤油流动换热数值研究

针对先进动力装置利用航空煤油实现再生冷却的现实需求,建立了矩形冷却通道流/固/热耦合的三维数值模型,分析了入口质量流量、压力、热流密度等工况条件对矩形通道内航空煤油流动传热特性参数的影响。结果表明:增大质量流量和减小热流密度都会提升航空煤油的换热能力;在一定压力范围内,压力对航空煤油换热的影响不明显,但随着压力的增加,煤油的换热能力变差;由于传热恶化的发生,上述工况对压力损失和摩擦阻力的影响较为复杂。

超临界状态航空煤油裂解的传热特性仿真

为研究超临界压力下航空煤油裂解时传热特性,构建了一步裂解总体反应模型,并对5 MPa压力下RP-3航空煤油在水平圆管内存在裂解时的传热特性进行数值模拟,研究了裂解反应和质量流量对航空煤油流动传热的影响。结果表明,裂解反应的发生很大程度上提升了煤油的换热能力,出口处煤油的平均油温和壁面温度分别降低了8.33%和7.92%;RP-3航空煤油发生裂解反应后流体热物性变化明显,导致流速显著增大,流动压力损失增加;入口质量流量降低使煤油发生裂解位置提前且裂解率升高,裂解反应吸收的热量更多,但同时也显著增加了流动压力损失。

竖直内螺纹管中超临界RP-3航空煤油换热特性数值研究

针对空–油换热器的结构优化应用,开展了竖直内螺纹管中超临界RP-3航空煤油换热特性数值研究。阐述了沿流动方向的传热恶化问题和沿圆周方向螺纹顶部–螺纹底部的非均匀换热机制。通过近壁区流体参数分布情况揭示了传热恶化的原因。讨论了通道截面温度场、流场、湍动能的分布特征,基于螺旋度和二次流强度描述了二次流的影响。探究了运行压力和螺纹数目对换热的影响。实现了换热关联式预测。结果表明:吸热能力下降和湍动能异常减小是第一次传热恶化的原因,类膜态沸腾还会导致第二次传热恶化问题。螺纹结构和变密度耦合产生二次流,螺旋度沿流动方向不断增大,高温区二次流强度与换热状况具有耦合机制。提出的换热关联式有效获得了三种类型内螺纹管中超临界航空煤油的换热预测。

流量突变条件下煤油流动与对流传热特性实验

对流量突变条件下RP-3航空煤油的圆管流动与传热过程进行了实验研究。燃料流动与传热实验是在超临界压力为3MPa、燃料温度为300~650K、雷诺数为3 000~60 000范围内进行的。实验同步测量了圆管煤油温度、壁温、油压的沿程分布,并应用基于动量与能量守恒的非定常控制体分析方法,获得了航空煤油壁面摩阻系数与传热努塞尔数的分布。实验结果表明:当煤油温度未超过临界值(约650K)、处于过压液态时,该实验条件下的入口流量的突增或者突减过程对摩阻系数与努塞尔数的影响很小。

极限重力下冲压发动机再生冷却中燃油流动及传热特性研究

为了了解重力水平对超燃冲压发动机再生冷却中航空燃油流动及传热特性的影响,本文采用有限容积法对不同重力水平下水平圆管内RP-3航空煤油的流动和传热进行三维数值模拟。水平圆管内径为1.8 mm,壁厚为0.2 mm,长为300 mm,管内工质为RP-3航空煤油,管壁受到q=400 kW/m^(2)的均匀热流密度加热。研究结果表明,根据重力水平的不同可将二次流流型沿管长的变化归纳为3种流型演变规律。0g时截面流型由入口段的汇流发展为源流,最终再次变为汇流;当重力水平增加至0.1g时,在管道轴线上方出现涡状流动,涡胞中心沿管长方向逐渐向下移动,最终流型转变为汇流;当重力水平增加至0.3g时,涡状流动涡胞中心位于管道轴线下方,沿着管长方向快速上移至轴线上方,最终发展至管道轴线下方。随着重力水平的增大,水平圆管轴线上方流体的湍动能逐渐增大,而轴线下方流体的湍动能却逐渐减小。流体湍动能受浮升力效应诱导二次流影响呈非对称分布。重力水平的增大能强化下管壁附近的对流换热,而抑制上管壁附近的对流换热,在上壁面出现了传热恶化现象。管壁平均对流换热系数会随重力水平的增大而增大。

竖直上升通道RP-3航空煤油不稳定流动换热特性及临界准则

针对空–油换热器的冷却换热问题,对竖直上升圆管内超临界压力RP-3航空煤油的不稳定流动换热开展了实验研究。探究了由稳定流动换热向不稳定流动换热的过渡过程,考察了测量参数的振荡特性和机理,阐述了质量流量、进口压力、进口温度对壁温振荡和不稳定边界的影响。提出了两个无量纲参数,建立了不稳定边界预测准则。结果表明:通道施加高热流密度时,边界层对热流的动态响应转化为不稳定振荡,出现不稳定流动换热问题。随着压力提高,边界层内密度梯度减小,高热流密度时边界层稳定性增强,不稳定流动换热的临界热流密度增大。提出的预测准则能合理反映不稳定流动换热的临界热流密度,满足空–油换热器设计的工程需求。

凹陷窝深度对矩形通道内煤油流动与传热性能的影响研究

摘要本文通过数值仿真研究了凹陷窝深度和煤油物性的变化对带有圆形凹陷窝的小尺度矩形通道内湍流流动及对流换热的耦合影响.基于雷诺平均方法并结合SST k-ω湍流模型和煤油10组分替代模型,获得了不同深度圆形凹陷窝的旋涡结构及传热特性.计算结果表明,凹陷窝能够产生复杂的三维旋涡结构,明显改变了局部的湍流流动,从而导致壁面不同位置处的对流传热性能得到强化或者削弱.研究发现,随着凹陷窝深度的增加,壁面的平均努塞尔数先逐渐增大,当深度到达某一定值后,努塞尔数减小.根据流场的变化可知,当旋涡结构为马蹄涡和龙卷风涡时,带凹陷窝壁面的传热明显增强;而随着凹陷窝深度的进一步增加,旋涡结构变为非对称的羊角涡,导致传热性能下降.与努塞尔数的变化类似,摩擦因子同样随着凹陷窝深度的增加呈现先增大后减小的变化规律.