超临界压力航空煤油热声振荡与传热恶化的机理及预测研究

【摘要】：超燃冲压发动机工作于燃烧放热和气动加热引起的极端恶劣环境下,面临着严峻的材料热防护问题。采用吸热型碳氢燃料作为冷却剂的再生冷却,通过燃料的物理热沉和化学热沉吸收热量,可以高效地解决这一问题。在再生冷却通道内,碳氢燃料工作压力高于其临界压力,超临界压力下热物性特殊变化引发了复杂的流动传热现象。因此,研究超临界压力下碳氢燃料的流动传热过程对再生冷却技术的应用具有重要意义。目前,对超临界压力下碳氢燃料流动传热过程的研究虽然较为丰富,但是对热声振荡和传热恶化的机理以及预测问题还少见报道。本文基于实验和数值分析相结合的方法,以RP-3航空煤油为研究对象,开展了相关的研究。首先,对超临界压力航空煤油在竖直上升圆管内的非稳定流动换热和稳定流动换热进行了实验研究。1)对于非稳定流动换热,填补了过渡区热声振荡形成机理、临界条件、振荡后换热性能量化预测研究的欠缺。研究表明：进口雷诺数低于4100时,厚的热边界层促发黏性边界层的周期性不稳定,出现了热声振荡现象。随着热流密度或压力提高,黏性边界层波动减弱,热声振荡减弱。随着质量流率提高,热边界层转捩过程缩短,热声振荡也受到抑制。同时,振荡壁温高于拟临界温度后,周期性的拟沸腾效应会进一步加剧热声振荡现象。采用进口拟过冷度和出口拟相变数两个无量纲数描述稳定性边界,首次建立了利用运行参数对热声振荡预测的关系式,以及振荡后换热预测的关系式。2)对于稳定流动换热,详细考察了传热恶化的形成机理,解决了换热的量化预测问题。研究表明：低质量流率下,过渡区传热恶化是由浮升力和热加速引起的,采用浮升力项和热加速项修正建立了换热关系式,湍流区传热恶化是由浮升力引起的,采用浮升力项修正建立了换热关系式。高质量流率下,过渡区传热恶化是由浮升力引发的,湍流区传热恶化是由类膜态沸腾导致的,分别采用密度项和导温系数项修正建立了过渡区和湍流区的换热关系式。其次,在数值方法可靠性得到充分验证的基础上,对超临界压力航空煤油在竖直圆管和水平圆管内的对流换热进行了数值研究。与实验研究不同,根据热流密度选择不同的管道长度,以获得完整的流动换热过程。1)对于竖直圆管,着重考察了传热恶化的形成机理和临界条件,研究表明：低主流温度区和高主流温度区发现了两类传热恶化现象。前者对应管段近壁湍动能和壁面剪切力异常分布,传热恶化是由热加速引起的；后者对应管段径向流速和近壁质量流率异常分布,传热恶化是由不平衡压差引起的,是一种类膜态沸腾现象。首次构建了类膜态沸腾的作用机制,解决了类膜态沸腾作用的临界条件预测问题,其热流密度临界值与质量流率和压力之间均呈线性增长关系。2)对于水平圆管,重点分析了二次流的演变规律、二次流对传热恶化的影响机制、二次流作用的量化预测等问题,研究表明：拟临界区强二次流效应与类膜态沸腾效应叠加,出现了沿管周向非均匀的传热恶化现象。通过格拉晓夫数表征二次流的影响,建立了管顶部和管底部换热差异的预测关系式。最后,基于再生冷却通道的实际结构和受热方式,对通道顶壁面外侧施加恒定热流密度和恒定温度条件下方形通道内超临界压力航空煤油的流动传热过程进行了数值研究,着重解决了固壁热传导和传热恶化的耦合机制以及固壁内侧的热流密度量化预测问题。1)恒定外壁热流密度条件下,研究表明：传热恶化出现在拟临界区,表现为加热侧内壁面壁温突增且热流密度剧减的综合特征。采用温度项修正建立了该换热情况下加热侧内壁面和侧壁面内侧热流密度的预测关系式。2)恒定外壁温度条件下,研究表明：传热恶化出现在壁面流体比热容达到峰值以后,仅表现为加热侧内壁面热流密度异常减小的单一特征。采用体积热容项修正建立了加热侧内壁面和侧壁面内侧热流密度的预测关系式。

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