超臨界壓力下低溫甲烷在肋片冷卻圓管中的強化傳熱的數(shù)值模擬研究

【摘要】：主動再生冷卻技術(shù)在保證發(fā)動機可靠性和使用壽命方面起著至關(guān)重要的作用,因此,在許多航空航天推進和動力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,包括火箭發(fā)動機,超燃沖壓發(fā)動機和先進的燃氣渦輪發(fā)動機等。在主動冷卻過程中如何通過改變冷卻通道的表面特性來達到強化傳熱的目的是一個非常值得關(guān)注的領(lǐng)域。本文通過數(shù)值模擬手段,在準確考慮熱物性和傳輸物性變化的情況下,通過準確求解流／固耦合的守恒方程,對超臨界壓力下低溫甲烷在肋片圓管中的湍流流動和強化傳熱過程開展了深入的計算研究,重點分析了幾個關(guān)鍵參數(shù)對流動和傳熱過程的影響,包括肋片形狀(方形和三角形肋片),肋片的高度(從0.01到0.05毫米),固體壁面導(dǎo)熱系數(shù)(從20到400W/mK),壁面熱流密度(從1到4MW/m2)以及入口流動速度(從10到20m/s)。數(shù)值計算中考慮的工作壓力為8MPa,高于甲烷的臨界壓力4.6MPa。數(shù)值模擬結(jié)果表明,肋片的引入可以顯著提高傳熱性能,但同時流動壓力損失也會大大增加。因此需要采用一個熱性能因子來綜合評價傳熱強化和壓力損失的影響。本文的分析發(fā)現(xiàn)：方形肋片的性能要稍好于三角形肋片；并且在同時考慮傳熱增強和壓力損失的情況下,存在一個最佳的肋片高度；固體導(dǎo)熱系數(shù)越高,或者壁面熱流密度越高,肋片的強化傳熱作用會變得更加重要；入口流動速度越大,流體的對流換熱能力越強,但流動壓力損失也會增加,在計算條件下,肋片冷卻通道的綜合熱性能隨入口速度的加大而提高。本文的研究結(jié)果對在主動再生系統(tǒng)中更有效的利用強化傳熱技術(shù)具有一定的指導(dǎo)意義。 【關(guān)鍵詞】：主動再生冷卻 超臨界壓力 肋片 熱性能因子 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：V430
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 圖目錄7-9
• 表目錄9-10
• 目錄10-12
• 第1章 緒論12-21
• 1.1 研究背景12
• 1.2 強化傳熱12-14
• 1.2.1 有源強化傳熱12-13
• 1.2.2 無源強化傳熱13-14
• 1.2.3 復(fù)合強化傳熱14
• 1.3 超臨界流體及特性14-16
• 1.3.1 物質(zhì)狀態(tài)14-15
• 1.3.2 超臨界流體物理性質(zhì)15-16
• 1.4 超臨界流體國外研究狀況16-18
• 1.4.1 超臨界水和二氧化碳16-17
• 1.4.2 超臨界航空航天燃料17-18
• 1.5 超臨界流體國內(nèi)研究狀況18-20
• 1.6 本文工作20-21
• 第2章 數(shù)值計算方法21-35
• 2.1 物理模型21-22
• 2.2 控制方程22-23
• 2.2.1 固體區(qū)控制方程22
• 2.2.2 流體區(qū)控制方程22-23
• 2.3 湍流方程23-25
• 2.3.1 標準κ-ε兩方程模型23-24
• 2.3.2 強化壁面函數(shù)法24-25
• 2.4 邊界條件25-27
• 2.5 物性計算27-31
• 2.5.1 甲烷的密度計算27-28
• 2.5.2 甲烷的粘性計算28
• 2.5.3 甲烷的導(dǎo)熱系數(shù)計算28-29
• 2.5.4 甲烷的定壓比熱計算29-31
• 2.5.5 固體壁面的物性計算31
• 2.6 甲烷物性驗證31-33
• 2.7 甲烷數(shù)值模型驗證33-34
• 2.8 網(wǎng)格生成和獨立性分析34
• 2.9 本章小節(jié)34-35
• 第3章 幾何形狀對甲烷超臨界湍流換熱的影響35-51
• 3.1 肋片形狀的影響35-43
• 3.2 肋片高度的影響43-50
• 3.3 本章小節(jié)50-51
• 第4章 其他參數(shù)對甲烷超臨界湍流換熱的影響51-74
• 4.1 固體導(dǎo)熱系數(shù)的影響51-59
• 4.2 壁面熱流密度的影響59-68
• 4.3 入口速度的影響68-73
• 4.4 本章小節(jié)73-74
• 第5章 總結(jié)和展望74-76
• 5.1 工作總結(jié)74-75
• 5.2 研究展望75-76
• 參考文獻76-82
• 附錄A82-83
• 附錄B83-84
• 附錄C84-85
• 作者簡歷85

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