航空煤油RP-3超臨界壓力湍流傳熱和裂解吸熱現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究.pdf

1、主動再生冷卻技術(shù)是超燃沖壓發(fā)動機主要的熱防護手段之一。該技術(shù)利用發(fā)動機自帶的吸熱型碳氫燃料作為冷卻劑，在燃料注入到燃燒室燃燒前，先使其流經(jīng)布置在發(fā)動機壁面內(nèi)的冷卻通道吸收燃燒室釋放的熱量。冷卻過程中壓力一般較高，會超過燃料的臨界壓力，使得整個流動和傳熱過程都處于超臨界壓力下。在此狀態(tài)下，隨著溫度的升高，燃料相變消失，但其熱物性在跨臨界區(qū)域會發(fā)生劇烈的變化。此外，高溫下燃料還會發(fā)生裂解吸熱反應(yīng)，把部分熱量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，有效提高了燃料的冷卻

2、能力。因此，研究碳氫燃料超臨界壓力湍流傳熱和裂解吸熱現(xiàn)象對發(fā)動機主動再生冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化具有非常重要的意義。
　　在本文中，針對超燃沖壓發(fā)動機的主動再生冷卻過程，我們建立了一個用于計算航空煤油RP-3超臨界壓力流動、傳熱和裂解現(xiàn)象的數(shù)值模型。通過與一系列實驗結(jié)果的對比，對模型的準確性和可靠性進行了充分的驗證?；谠撃Ｐ?，我們開展了詳細的數(shù)值模擬研究:
　　第一，對超臨界壓力航空煤油RP-3圓管內(nèi)的裂解傳熱現(xiàn)象開展了詳細的

3、數(shù)值模擬計算，分析了裂解反應(yīng)、入口速度和熱流密度的影響。結(jié)果表明當燃料溫度達到800K時，強烈的熱裂解反應(yīng)開始發(fā)生。裂解吸熱反應(yīng)能有效提高燃料的吸熱能力，導(dǎo)致流體溫度降低或壁面熱流密度增加。在入口段，近壁面區(qū)域黏性系數(shù)隨著溫度的增加而迅速降低，使得流動從層流轉(zhuǎn)化為湍流，傳熱出現(xiàn)強化。在臨界區(qū)域，熱裂解導(dǎo)致燃料物性變化更加劇烈，密度的迅速降低使得流體速度快速增加，當壁面熱流密度較低時，有傳熱強化出現(xiàn)。入口速度的減小和熱流密度的增大都使得流

4、體溫度升高，從而增加了燃料的熱裂解。在高溫區(qū)域，裂解吸熱反應(yīng)在整個對流換熱過程中占據(jù)著十分重要的作用，50％以上的熱量通過裂解反應(yīng)被轉(zhuǎn)化為燃料的化學(xué)能。
　　第二，對超臨界壓力航空煤油RP-3在加肋片圓管內(nèi)的強化傳熱現(xiàn)象開展了數(shù)值模擬研究，分析了肋片、肋片高度和固體導(dǎo)熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明加肋片管道能有效提高燃料的對流換熱能力。入口處，由于雷諾數(shù)較低，流體對流換熱效果不佳，肋片的強化作用尤其顯著。傳熱出現(xiàn)強化的主要原因是肋片改變了

5、近壁面流體的流動，低溫流體沖擊壁面，導(dǎo)致熱邊界層變薄。同時徑向速度的生成也增強了壁面和中心區(qū)域流體的對流換熱。肋片高度越高，強化傳熱作用越顯著，但同時也會增加沿程壓力損失。我們采用了熱性能因子來綜合評估流體對流換熱性能的提升和壓力的損失，發(fā)現(xiàn)存在一個最佳的肋片高度使得綜合熱性能達到最大。固體導(dǎo)熱系數(shù)只影響固體區(qū)域溫度的分布，導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱阻越小，外壁面溫度越低。
　　第三，在水平圓管內(nèi)對航空煤油RP-3超臨界壓力流動和傳熱現(xiàn)象開

6、展了數(shù)值模擬研究，以電加熱的方式對管道進行加熱，在不同入口速度和加熱電流下分析了浮升力的影響。首先比較了兩種加熱方式，電加熱和等效壁面熱流密度，對湍流傳熱過程的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者區(qū)別不大。在浮升力作用下，低溫高密度流體向著管道下方流動，使得下壁面?zhèn)鳠岢霈F(xiàn)強化，溫度相較于上壁面偏低。同時與不考慮浮升力相比，下壁面溫度顯著降低，尤其是在入口段，浮升力引起的自然對流能有效抑制傳熱惡化。與不考慮浮升力相比，管道上壁面溫度在入口段也有著明顯的下降