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(dòng)再生冷卻技術(shù)是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主要的熱防護(hù)手段之一。該技術(shù)利用發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的吸熱型碳?xì)淙剂献鳛槔鋮s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(dòng)機(jī)壁面內(nèi)的冷卻通道吸收燃燒室釋放的熱量。冷卻過(guò)程中壓力一般較高，會(huì)超過(guò)燃料的臨界壓力，使得整個(gè)流動(dòng)和傳熱過(guò)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(huì)發(fā)生劇烈的變化。此外，高溫下燃料還會(huì)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?xì)淙剂铣R界壓力湍流傳熱和裂解吸熱現(xiàn)象對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)再生冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有非常重要的意義。
　　在本文中，針對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)再生冷卻過(guò)程，我們建立了一個(gè)用于計(jì)算航空煤油RP-3超臨界壓力流動(dòng)、傳熱和裂解現(xiàn)象的數(shù)值模型。通過(guò)與一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，對(duì)模型的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行了充分的驗(yàn)證。基于該模型，我們開(kāi)展了詳細(xì)的數(shù)值模擬研究:
　　第一，對(duì)超臨界壓力航空煤油RP-3圓管內(nèi)的裂解傳熱現(xiàn)象開(kāi)展了詳細(xì)的

3、數(shù)值模擬計(jì)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(dāng)燃料溫度達(dá)到800K時(shí)，強(qiáng)烈的熱裂解反應(yīng)開(kāi)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(dòng)從層流轉(zhuǎn)化為湍流，傳熱出現(xiàn)強(qiáng)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(dāng)壁面熱流密度較低時(shí)，有傳熱強(qiáng)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(gè)對(duì)流換熱過(guò)程中占據(jù)著十分重要的作用，50％以上的熱量通過(guò)裂解反應(yīng)被轉(zhuǎn)化為燃料的化學(xué)能。
　　第二，對(duì)超臨界壓力航空煤油RP-3在加肋片圓管內(nèi)的強(qiáng)化傳熱現(xiàn)象開(kāi)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(duì)流換熱能力。入口處，由于雷諾數(shù)較低，流體對(duì)流換熱效果不佳，肋片的強(qiáng)化作用尤其顯著。傳熱出現(xiàn)強(qiáng)化的主要原因是肋片改變了

5、近壁面流體的流動(dòng)，低溫流體沖擊壁面，導(dǎo)致熱邊界層變薄。同時(shí)徑向速度的生成也增強(qiáng)了壁面和中心區(qū)域流體的對(duì)流換熱。肋片高度越高，強(qiáng)化傳熱作用越顯著，但同時(shí)也會(huì)增加沿程壓力損失。我們采用了熱性能因子來(lái)綜合評(píng)估流體對(duì)流換熱性能的提升和壓力的損失，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)最佳的肋片高度使得綜合熱性能達(dá)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(duì)航空煤油RP-3超臨界壓力流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象開(kāi)

6、展了數(shù)值模擬研究，以電加熱的方式對(duì)管道進(jìn)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(duì)湍流傳熱過(guò)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(dòng)，使得下壁面?zhèn)鳠岢霈F(xiàn)強(qiáng)化，溫度相較于上壁面偏低。同時(shí)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(duì)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