细管束低温冷却空气的流动换热与表面结霜的研究

《细管束低温冷却空气的流动换热与表面结霜的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、细管束低温冷却空气的流动换热与表面结霜的研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：航天航空学院学科：航空宇航科学与技术研究生：贾云涛指导教师：梁新刚教授二○一七年十月ResearchesontheFlow,HeatTransferandFrostingforAirCoolingbyMini-TubeBundleatVeryLowTemperatureDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinAe

2、ronauticalandAstronauticalScienceandTechnologybyJiaYuntaoDissertationSupervisor:ProfessorLiangXingangOctober,2017摘要摘要可重复使用的高超声速飞行器是未来航空航天领域发展的趋势。一些高超声速飞行器使用的发动机设计采用了低温预冷换热器来提高比冲，如英国“云霄塔”采用的“佩刀”，日本的ATREX发动机等。对于预冷换热器，要求其换热能力高、阻力小、重量轻，并且能够预防低温冷却时的结霜。因此该换热器是此类发动机设计的一个关键。本文研究的目的就是获得在低温冷却条件下，细管管束

3、的流动换热、以及结霜与抑制结霜的特性。本文参考“佩刀”预冷器的工作参数范围，建立了二维微细管束流动阻力和传热特性的数值计算模型，在雷诺数为2500~7000的范围内，对叉排管束的流动阻力和传热特性进行了数值模拟，获得了管子直径小于6mm的流动传热特性，并且根据大温差冷却的计算结果修正了空气被管束冷却时的阻力特性关联式。设计并搭建了预冷换热管束结霜/抑霜实验台，在冷媒入口温度为-15~-188℃的范围内，对不同来流空气湿度、不同风速下的细管表面结霜进行了实验研究。实验结果表明，随着冷媒入口温度的降低，霜层的厚度逐渐增加，但增加的趋势减缓。实验发现，在相同冷媒温度下，随着来流空气

4、湿度的增加，管束表面霜层厚度变薄。针对这一现象建立了一维模型，分析表明释放凝结潜热的多少是影响霜层厚薄的关键，此外还分析了影响霜层厚薄的其它因素。本文采用喷射溶剂的方式对细管的除霜和抑霜进行了实验。实验结果表明，在管内冷媒的入口温度处于-88℃以上时，预先向细管表面喷射1:1水蒸气质量流量的乙醇能够有效地抑制结霜。实验还比较了喷射甲醇、乙醇、正丙醇和异丙醇的抑制结霜效果，结果显示甲醇的效果最佳。喷射溶剂后之所以能够达到抑制结霜的效果，主要原因一是喷射溶剂后降低了其与水蒸气混合物的冰点，二是喷射的溶剂冷凝所释放的潜热能够抑制结霜。采用数值模拟的方法，建立了二维简化的单管结冰计算

5、模型，使用VOF方法来处理结冰的界面。论文研究了来流风速、相对湿度、管束壁面温度等因素的影响，观察了管束周边结冰的厚度和温度、速度、湿度的分布情况，发现通常情况下迎风面的冰层最薄，并且在20m/s的来流空气速度范围内，速度越高，管束表面结冰越薄，而湿度的分布也是决定结冰厚度的关键。其它因素的影响规律与一维模型和实验的结果一致。关键词：预冷换热器；细管束；结霜；除霜；实验研究IAbstractAbstractReusablehypersonicvehiclesareanimportantthetrendoffutureaerospacetechnology.Somehypers

6、onicvehiclesadoptedlowtemperaturepre-coolertoincreasethrust,suchas"SABER"engineusedby"SKYLON"planofBritain,andATREXinJapan.Itisrequiredthatthepre-coolershouldbeofextremecapacityofheatexchange,lowflowresistance,lightmassweight,andtheabilityofanti-frost.Thepre-coolerisoneofthekeydeviceforthos

7、eenginesandthepurposeofthisdissertationistoinvestigatecharacteristicsoftheflowandheattransfer,aswellasthefrost,ofmini-tubebundleatlowtemperature.Thisdissertationsetupanumericalmodelforcalculatingtheflowresistanceandheattransfercharacteristicsofthetwo-dim