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(cè)研究

【摘要】：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(wèn)題。采用吸熱型碳?xì)淙剂献鳛槔鋮s劑的再生冷卻,通過(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)程的研究雖然較為豐富,但是對(duì)熱聲振蕩和傳熱惡化的機(jī)理以及預(yù)測(cè)問(wèn)題還少見(jiàn)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(kāi)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(guò)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(cè)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(guò)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(guò)冷度和出口擬相變數(shù)兩個(gè)無(wú)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(cè)的關(guān)系式,以及振蕩后換熱預(yù)測(cè)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(cè)問(wèn)題。研究表明：低質(zhì)量流率下,過(guò)渡區(qū)傳熱惡化是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(guò)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(lèi)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(guò)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)熱流密度選擇不同的管道長(zhǎng)度,以獲得完整的流動(dòng)換熱過(guò)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(lèi)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(lèi)膜態(tài)沸騰現(xiàn)象。首次構(gòu)建了類(lèi)膜態(tài)沸騰的作用機(jī)制,解決了類(lèi)膜態(tài)沸騰作用的臨界條件預(yù)測(cè)問(wèn)題,其熱流密度臨界值與質(zhì)量流率和壓力之間均呈線性增長(zhǎng)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(cè)等問(wèn)題,研究表明：擬臨界區(qū)強(qiáng)二次流效應(yīng)與類(lèi)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(guò)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(cè)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(guò)程進(jìn)行了數(shù)值研究,著重解決了固壁熱傳導(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(cè)問(wèn)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(cè)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)熱流密度的預(yù)測(cè)關(guān)系式。 【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：V312

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