超臨界壓力下低溫甲烷的三維流固耦合傳熱研究

【摘要】：本文針對航空航天飛行器及其發(fā)動機主動再生冷卻的需要,基于商用CFD軟件FLUENT,通過用戶編程進(jìn)行二次開發(fā),編制了一套能準(zhǔn)確計算流體物性并且能考慮流/固耦合傳熱問題的數(shù)值計算軟件。對低溫甲烷在矩形冷卻通道中超臨界壓力下的流/固耦合換熱過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究,仔細(xì)分析了熱流密度、工作壓力、入口速度及管道幾何形狀對低溫甲烷在超臨界壓力下的流動和傳熱的影響,得到了流體速度、壁面溫度、壁面熱流密度、流體物性等參數(shù)的詳細(xì)變化情況以及Nusselt數(shù)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明從冷卻通道上壁面施加的熱流會通過熱傳導(dǎo)傳入側(cè)壁面甚至下壁面,并且施加的熱流密度越大,則經(jīng)側(cè)壁面?zhèn)鲗?dǎo)的熱流所占比例越高；隨著入口壓力增加,Nusselt數(shù)增大,說明提高壓力可以起到強化超臨界壓力下低溫甲烷的對流傳熱效果；在相同入口質(zhì)量流量的條件下,減小冷卻管道高寬比R值可以有效改善對流傳熱效果,但同時會造成流動壓力損失的增大,因此冷卻通道高寬比的選擇需綜合考慮傳熱與壓力損失的影響,可以引入熱性能參數(shù)作為參考；通過Nusselt數(shù)計算值與經(jīng)驗公式預(yù)測值的對比分析,發(fā)現(xiàn)修正的JacksonHall換熱關(guān)系式能較好的適用于本文的各種工況,但在高熱流密度和低速條件下其準(zhǔn)確性會有所降低,數(shù)值計算值與預(yù)測值最大誤差可能會達(dá)到20%以上。 【關(guān)鍵詞】：超臨界壓力傳熱 甲烷 主動再生冷卻 流固耦合 三維數(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】：2012
【分類號】：V434.14
【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12-19
• 1.1 研究背景12-14
• 1.1.1 超臨界流體和超臨界傳熱的特點12-14
• 1.1.2 超臨界壓力流體傳熱的應(yīng)用14
• 1.2 研究現(xiàn)狀14-18
• 1.2.1 水和二氧化碳的超臨界壓力傳熱研究14-17
• 1.2.2 碳?xì)淙剂铣R界壓力的傳熱研究17-18
• 1.3 本文的研究工作18-19
• 第2章 數(shù)值方法19-33
• 2.1 物理模型19-20
• 2.2 控制方程20-21
• 2.2.1 流體區(qū)域20
• 2.2.2 固體區(qū)域20-21
• 2.3 湍流模型21-24
• 2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型21-23
• 2.3.2 近壁面處理23-24
• 2.4 物性計算方法及驗證24-29
• 2.4.1 密度24-25
• 2.4.2 粘性系數(shù)25-26
• 2.4.3 導(dǎo)熱系數(shù)26
• 2.4.4 定壓比熱26-27
• 2.4.5 固體部分的物性27
• 2.4.6 物性計算結(jié)果驗證27-29
• 2.5 邊界條件29-31
• 2.6 網(wǎng)格獨立性分析31
• 2.7 數(shù)值模型的驗證31-32
• 2.8 本章小結(jié)32-33
• 第3章 熱流密度、入口壓力等對超臨界壓力湍流傳熱的影響33-50
• 3.1 熱流密度的影響33-44
• 3.2 入口壓力的影響44-48
• 3.3 入口速度的影響48-49
• 3.4 本章小結(jié)49-50
• 第4章 幾何形狀對超臨界壓力湍流傳熱的影響50-62
• 4.1 幾何形狀的影響50-61
• 4.2 本章小結(jié)61-62
• 第5章 總結(jié)與展望62-64
• 5.1 全文總結(jié)62-63
• 5.2 展望63-64
• 參考文獻(xiàn)64-69
• 附錄一：甲烷的BWR狀態(tài)方程32項系數(shù)值69-70
• 附錄二：甲烷的粘性系數(shù)方程中的a_i、b_i、c_i系數(shù)值70-71
• 附錄三：甲烷的導(dǎo)熱系數(shù)方程中的a_i、b_i、c_i系數(shù)值71-72
• 作者簡歷72

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