超燃冲压发动机再生冷却通道内煤油流动与传热特性研究

【摘要】：本文采用实验研究为主、理论分析为辅的方法,对超燃冲压发动机再生冷却通道内RP3煤油的流动与传热特性进行了较为细致全面的研究,明确了煤油在不同压力下加热过程中的流型演变规律,在亚临界和超临界压力下的传热特性,以及近临界压力区不稳定性的形成机理。研制了高温高压流体观测装置,对煤油在不同压力下的升温过程进行了观测。结果表明:在亚临界压力下,煤油升温过程为两相流,会经历泡状流、弹状流、搅拌流、环状流等流型;在临界压力下,煤油在临界温度附近会出现乳光现象;而在超临界压力下,煤油流动更类似于单相流,直接从过压流体过渡到超临界态。当裂解反应发生后,未裂解的超临界煤油将裂解生成的气态小分子产物和固态积碳溶解于主流中,宏观表现仍类似于单相流。流动方式(竖直、水平、倾斜)不会影响流型的类型,但会影响相态的相对空间分布。依据对传热的影响,将亚临界压力下的流型分为了气泡流、气芯流以及干涸流,拟合出了流型转变的经验公式。研究了煤油的替代组分正癸烷在亚临界压力以及超临界压力下的传热特性。正癸烷在亚临界压力下的传热可分为液相传热、两相传热、气相传热三种状态。液相传热时,在较高的热流密度下(如0.3MW/m~2),传热机制为贴近壁面处发生微弱沸腾,壁温维持在沸点左右,油温逐渐上升。在较低的热流密度下(如0.08MW/m~2),传热机制为单相对流传热,壁温、油温均逐渐增加。液相传热时,传热系数随着油温的增加而增大;两相传热时,正癸烷的传热分为核态沸腾和膜态沸腾,油温始终维持在沸点左右。核态沸腾的传热系数非常高,壁温油温之差很小。而一旦气膜覆盖壁面形成膜态沸腾,壁温将快速上升,传热系数迅速下降,并不断减小;气相传热时,正癸烷的传热机制为单相对流传热,壁温、油温均逐渐增加,但传热系数几乎不变。研究了热流密度、流速、压力对正癸烷亚临界压力下传热特性的影响。研究了正癸烷在超临界压力下的传热特性,发现其类似于单相流动传热,但传热系数低于同一温度时亚临界压力下的传热系数。研究了煤油在超临界压力下的传热特性,发现当煤油入口油温较低时,会由于层流边界层的作用在入口段形成一个传热较差的区域。煤油在超临界压力下的传热特性可分为正常传热、传热强化和传热恶化三种状态。在正常传热区,传热系数随油温增加而增大,但增大的速率较小,主要跟煤油的物性变化以及流动状态为层流有关;在传热强化区,传热系数随油温增加而大幅增大,主要是由于煤油流动从层流转变为了充分发展的湍流,换热强度大大增强;而在传热恶化区,传热系数随油温增加而减小,主要是由于煤油发生了小分子聚合成大分子的放热反应,因此使得传热恶化。研究了热流密度、流速、压力对煤油超临界压力下传热特性的影响。将煤油在超临界压力下的传热实验数据与已有的传热实验关联式进行了对比,考虑物性梯度的影响,提出了新的传热关联式,预测精度有了大幅提高,90%的数据点落在了±30%的误差带内。研究了煤油在近临界压力区的不稳定性,分析表明这是一种低频振荡。热流密度越大,压力越小,流速越小,入口油温越低,管径越小,越容易发生振荡。通过分析振荡发生时流量、压差、壁温的变化规律发现,该振荡是密度波不稳定性。它由煤油温度达到拟临界温度时密度急剧减小而触发,当密度变化、流量、压差三者满足一定的相位关系后,自持的振荡便会形成。

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