超临界压力下竖直细圆管内航空煤油传热特性实验研究-李素芬

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1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文论文编号：143112超临界压力下竖直细圆管内航空煤油传热特性实验研究李素芬，浦航，王彦红，东明（大连理工大学能源与动力学院，大连116024）（Tel:0411-84708540,Email:lisuf@dlut.edu.cn）摘要：本文对超临界压力下航空煤油在细圆管内（竖直向上流）的对流传热特性进行实验研究，讨论了入口温度、热流密度及质量流量对于换热的影响规律；并对实验过程中出现的传热及流动不稳定现象进行了分析。结果表明：入口段的传热恶化现象仅在入口温度较低时发生；5MPa压力下对流换热随热流密度的增加而增强，3MPa

2、压力下在高热流密度工况时会发生传热恶化现象。传热及流动不稳定现象均发生在低压力、低入口温度及高热流密度工况下；发生不稳定现象时伴随着外壁温的剧烈振荡，并发出连续而尖锐的声响。最后，选取Gnielinski公式进行Nu数的计算，与实验结果进行对比和误差分析。关键词：超临界压力；航空煤油；传热特性；不稳定现象0前言航空发动机中工作在高温燃气环境中的各部件称统称为热端部件[1]。随着国防及航空科技的不断发展与进步，未来航空发动机的性能将不断提高。发动机推力和热效率的提高依赖于涡轮前温度及压气机增压比的提高。美国高性能涡轮发动机技术研究计划（IntegratedHigh

3、PerformanceTurbineEngineTechnology,IHPTET）中指出，要在2020年实现涡轮前温度达到2200K以上[1,2]。在更高的飞行速度下，机身的空气动力学加热也将更加严重[3]。此外，增压比的提高也使得涡轮冷却空气的温度上升，冷却空气的用量也将增加，而这不利于发动机推力的提高。这些因素导致未来航空发动机的热防护问题将十分严峻。目前，利用航空燃料作为冷源与冷却空气换热来提升其冷却效能的做法（CooledCoolingAir,CCA）被广泛认为是解决该问题最有潜力的途径[4]。航空煤油不仅具有吸收显热和潜热的能力（物理热沉），而且还可

4、以通过裂解反应来提供附加热沉（化学热沉）。航空煤油在航空燃料系统中工作压力通常高于其临界压力，而燃料在吸热过程中温度也会超过其临界温度，达到超临界态[2]。在超临界态下，航空煤油在拟临界点附近热物性会发生剧烈变化，呈现出不同于一般强制对流的传热特性。目前国内外针对这一问题均已开展了相关研究。胡志宏等[5,6]对超临界压力下煤油在圆管中的对流换热规律进行了实验研究，结果表明：煤油在超临界压力下先后有两次传热强化现象出现；并给出了煤油的强制对流传热实验关联式。张斌等[7]对超临界压力下国产RP-3航空煤油管内对流换热特性开展实验，研究了热流密度、入口温度及流动方向对

5、于换热的影响，对浮升力在不同流向中的作用进行了分析，并根据实验结果拟合得到了细圆管内超临界压力碳氢燃料换热实验关联式。Zhang等[8]对超临界压力下RP-3航空煤油在圆管内的换热特性（竖直向下流）进行了实验研究，研究发现：在起始加热区，壁温从起点开始剧烈升高，随后在高热流密度下迅速降低，此现象在入口雷诺数达到10000后消失；在热加速影响因子Kv小于1.5×10-8、浮升力影响因子Bo*小于1.6×10-10时发生了传热恶化。Hitch等[9]对超临界压力下JP-7及甲基环己烷（MCH）的传热及流动不稳定现象行了实验研究，发现当对比压力低于1.5时会出现压力和

6、壁温的剧烈振荡。本文以中国RP-3航空煤油为研究对象，对超临界压力下航空煤油在细圆管内（竖直向上流）的对流传热特性进行实验研究。文中对入口温度、热流密度及质量流量对于换热的影响规律进行了分析；并对实验过程中出现的超临界流体传热及流动不稳定现象进行了描述及分析；最后选取Gnielinski公式进行Nu数的计算，与实验结果进行对比和误差分析。0实验系统本实验依托于北京航空航天大学超临界压力流动换热实验台进行。储存在油箱中的航空煤油首先通过滤油器滤去夹带杂质，随后流经柱塞泵及脉冲阻尼器进入实验管路。随后煤油分为两路，一路进入预热段和实验段；另一路作为旁路流回至油箱。实

7、验后的航空煤油进入煤油冷却器与冷却水换热冷却。冷却后的航空煤油流入到废油罐收集妥当。实验段管路采用交流稳压电源对不锈钢管直接加热来达到近似均匀热流条件。实验系统示意图如图1所示。图1实验系统示意图实验管竖直放置，材料为1Cr18Ni9Ti钢。实验段管路长650mm，内径1.8mm，外径2.2mm。实验管加热段长度为500mm，入口绝热段长100mm、出口绝热段长50mm。本实验中入口绝热段长度为实验管内径的55.56倍，因此可以保证流动边界层的充分发展，不会对加热段造成影响。实验段管路使用ASPEN纳米保温材料包裹进行绝热处理。实验段管路各温度测点及铜电极布置如

8、图2所示。图2实验段热电