超燃沖壓發(fā)動機再生冷卻通道內(nèi)煤油流動與傳熱特性研究

【摘要】：本文采用實驗研究為主、理論分析為輔的方法,對超燃沖壓發(fā)動機再生冷卻通道內(nèi)RP3煤油的流動與傳熱特性進行了較為細致全面的研究,明確了煤油在不同壓力下加熱過程中的流型演變規(guī)律,在亞臨界和超臨界壓力下的傳熱特性,以及近臨界壓力區(qū)不穩(wěn)定性的形成機理。研制了高溫高壓流體觀測裝置,對煤油在不同壓力下的升溫過程進行了觀測。結(jié)果表明:在亞臨界壓力下,煤油升溫過程為兩相流,會經(jīng)歷泡狀流、彈狀流、攪拌流、環(huán)狀流等流型;在臨界壓力下,煤油在臨界溫度附近會出現(xiàn)乳光現(xiàn)象;而在超臨界壓力下,煤油流動更類似于單相流,直接從過壓流體過渡到超臨界態(tài)。當(dāng)裂解反應(yīng)發(fā)生后,未裂解的超臨界煤油將裂解生成的氣態(tài)小分子產(chǎn)物和固態(tài)積碳溶解于主流中,宏觀表現(xiàn)仍類似于單相流。流動方式(豎直、水平、傾斜)不會影響流型的類型,但會影響相態(tài)的相對空間分布。依據(jù)對傳熱的影響,將亞臨界壓力下的流型分為了氣泡流、氣芯流以及干涸流,擬合出了流型轉(zhuǎn)變的經(jīng)驗公式。研究了煤油的替代組分正癸烷在亞臨界壓力以及超臨界壓力下的傳熱特性。正癸烷在亞臨界壓力下的傳熱可分為液相傳熱、兩相傳熱、氣相傳熱三種狀態(tài)。液相傳熱時,在較高的熱流密度下(如0.3MW/m~2),傳熱機制為貼近壁面處發(fā)生微弱沸騰,壁溫維持在沸點左右,油溫逐漸上升。在較低的熱流密度下(如0.08MW/m~2),傳熱機制為單相對流傳熱,壁溫、油溫均逐漸增加。液相傳熱時,傳熱系數(shù)隨著油溫的增加而增大;兩相傳熱時,正癸烷的傳熱分為核態(tài)沸騰和膜態(tài)沸騰,油溫始終維持在沸點左右。核態(tài)沸騰的傳熱系數(shù)非常高,壁溫油溫之差很小。而一旦氣膜覆蓋壁面形成膜態(tài)沸騰,壁溫將快速上升,傳熱系數(shù)迅速下降,并不斷減小;氣相傳熱時,正癸烷的傳熱機制為單相對流傳熱,壁溫、油溫均逐漸增加,但傳熱系數(shù)幾乎不變。研究了熱流密度、流速、壓力對正癸烷亞臨界壓力下傳熱特性的影響。研究了正癸烷在超臨界壓力下的傳熱特性,發(fā)現(xiàn)其類似于單相流動傳熱,但傳熱系數(shù)低于同一溫度時亞臨界壓力下的傳熱系數(shù)。研究了煤油在超臨界壓力下的傳熱特性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤油入口油溫較低時,會由于層流邊界層的作用在入口段形成一個傳熱較差的區(qū)域。煤油在超臨界壓力下的傳熱特性可分為正常傳熱、傳熱強化和傳熱惡化三種狀態(tài)。在正常傳熱區(qū),傳熱系數(shù)隨油溫增加而增大,但增大的速率較小,主要跟煤油的物性變化以及流動狀態(tài)為層流有關(guān);在傳熱強化區(qū),傳熱系數(shù)隨油溫增加而大幅增大,主要是由于煤油流動從層流轉(zhuǎn)變?yōu)榱顺浞职l(fā)展的湍流,換熱強度大大增強;而在傳熱惡化區(qū),傳熱系數(shù)隨油溫增加而減小,主要是由于煤油發(fā)生了小分子聚合成大分子的放熱反應(yīng),因此使得傳熱惡化。研究了熱流密度、流速、壓力對煤油超臨界壓力下傳熱特性的影響。將煤油在超臨界壓力下的傳熱實驗數(shù)據(jù)與已有的傳熱實驗關(guān)聯(lián)式進行了對比,考慮物性梯度的影響,提出了新的傳熱關(guān)聯(lián)式,預(yù)測精度有了大幅提高,90%的數(shù)據(jù)點落在了±30%的誤差帶內(nèi)。研究了煤油在近臨界壓力區(qū)的不穩(wěn)定性,分析表明這是一種低頻振蕩。熱流密度越大,壓力越小,流速越小,入口油溫越低,管徑越小,越容易發(fā)生振蕩。通過分析振蕩發(fā)生時流量、壓差、壁溫的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn),該振蕩是密度波不穩(wěn)定性。它由煤油溫度達到擬臨界溫度時密度急劇減小而觸發(fā),當(dāng)密度變化、流量、壓差三者滿足一定的相位關(guān)系后,自持的振蕩便會形成。 【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：V235.21

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