超燃沖壓發(fā)動機(jī)主動冷卻通道內(nèi)的超臨界流動與傳熱過程數(shù)值模擬.pdf

1、本文建立了能夠高效重構(gòu)流體熱力學(xué)性質(zhì)的表格查詢方法，并與商業(yè)計算流體力學(xué)軟件FLUENT結(jié)合，發(fā)展了高效的流動與傳熱耦合計算軟件。對包含輕微裂解的超臨界壓力碳?xì)淙剂显趫A管以及超燃沖壓發(fā)動機(jī)主動冷卻通道中的流動與傳熱過程開展了數(shù)值模擬研究。
　　建立了三維表格查詢方法用于改善總包反應(yīng)中混合物熱力學(xué)性質(zhì)的計算效率。三維表格查詢方法得到了驗證并且比SUPERTRAPP數(shù)據(jù)庫快兩個數(shù)量級。模擬了包含輕微裂解反應(yīng)的正十烷在圓管中的傳熱，發(fā)現(xiàn)

2、可以忽略壓力對熱力學(xué)性質(zhì)的作用。
　　建立了分別使用塊結(jié)構(gòu)自適應(yīng)網(wǎng)格和三角形自適應(yīng)網(wǎng)格構(gòu)建熱力學(xué)性質(zhì)查詢表格的方法，顯著節(jié)省了存儲空間。建立了分別適用于笛卡爾網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格的重疊均勻索引網(wǎng)格方法，進(jìn)一步提高了查詢效率。塊結(jié)構(gòu)自適應(yīng)網(wǎng)格和三角形自適應(yīng)網(wǎng)格表格查詢方法比已有的先構(gòu)建笛卡爾自適應(yīng)網(wǎng)格、再劃分三角形單元的表格查詢方法更加簡單和高效。使用塊結(jié)構(gòu)自適應(yīng)網(wǎng)格構(gòu)建查詢表格比使用均勻網(wǎng)格節(jié)省20％-80%的存儲空間，而這一數(shù)值在使

3、用三角形自適應(yīng)網(wǎng)格時增加到68%-97%。重疊均勻索引網(wǎng)格的搜索速度是叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的兩倍，但只需要不到37%的額外存儲空間。在自適應(yīng)網(wǎng)格上重構(gòu)熱力學(xué)性質(zhì)與理想氣體狀態(tài)方程的速度相當(dāng)，比傳統(tǒng)的復(fù)雜的狀態(tài)方程方法快兩個數(shù)量級。
　　對超臨界壓力正十烷在加熱圓管中的相態(tài)變化、傳熱相似性以及加速度對傳熱惡化的影響開展了二維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體的平均溫度達(dá)到其臨界點之前，在通道的徑向存在很大的熱力學(xué)性質(zhì)梯度。超臨界壓力流體的流動與傳熱存在定

4、性相似，但針對特定的流體仍然需要進(jìn)一步研究。觀察到兩類傳熱惡化現(xiàn)象，由于熱邊界層發(fā)展而出現(xiàn)的第一類傳熱惡化出現(xiàn)在管道加熱的初始段，而可以由M形速度型識別的第二類傳熱惡化源自湍流擴(kuò)散的減小。獲得了定義為熱流密度與質(zhì)量通量比值的傳熱惡化起始參數(shù)隨加速度的變化規(guī)律，可以用于超燃沖壓發(fā)動機(jī)主動冷卻系統(tǒng)的設(shè)計。正加速度能緩解或推遲傳熱惡化，兩類傳熱惡化起始參數(shù)隨加速度的增加而線性增大。負(fù)加速度能加劇或提前傳熱惡化，第二類傳熱惡化起始參數(shù)在加速度小

5、于某個值后無法識別。
　　對超臨界壓力下正十烷在非對稱加熱的矩形直通道以及彎曲通道內(nèi)的耦合傳熱開展了三維并行數(shù)值模擬。研究了傳熱惡化發(fā)生時的詳細(xì)流場以及兩類Prandtl二次流的作用，比較了壁面導(dǎo)熱系數(shù)、通道高寬比以及輕微裂解對傳熱的影響。發(fā)現(xiàn)非對稱加熱的矩形冷卻通道的傳熱惡化可以由變形的M形速度型識別。由截面上壓力梯度引起的第一類Prandtl二次流具有最大軸向速度的1.0%的量級。由Reynolds應(yīng)力引起的第二類Prandt