微细通道超临界碳氢燃料微肋低阻强化换热研究.pdf

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1、硕士学位论文微细通道超临界碳氢燃料微肋低阻强化换热研究RESEARCHONHEATTRANSFERENHANCEMENTOFHYDROCARBONFUELUNDERSUPERCRITICALPRESSURECONDITIONSINMINI-CHANNEL李欣哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V235.21学校代码：10213国际图书分类号：629密级：公开工学硕士学位论文微细通道超临界碳氢燃料微肋低阻强化换热研究硕士研究生：李欣导师：秦江副教授申请学位：工学硕士学科：动力机械及工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学C

2、lassifiedIndex:V235.21U.D.C:629DissertationforTheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONHEATTRANSFERENHANCEMENTOFHYDROCARBONFUELUNDERSUPERCRITICALPRESSURECONDITIONSINMINI-CHANNELCandidate：LiXinSupervisor：AssociateProf.JiangQinAcademicDegreeAppliedFor：MasterofEngineeringSpeciality：Powermachine

3、ryandEngineeringAffiliation：DepartmentofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学硕士学位论文摘要碳氢燃料超燃冲压发动机再生冷却过程是其热防护的关键。冷却通道为单侧加热，且热流密度与冷却剂流量之比非常大，从而引起严重的热分层，燃料热沉利用率极低；同时由于冷却剂工作在超临界状态，拟临界点附近物性的剧烈变化极易导致传热恶化。为了减弱再生冷却通道中的热分层

4、现象、消除局部传热恶化，本文以碳氢燃料超燃冲压发动机再生冷却过程为研究对象，通过数值模拟方法，将微肋应用于微细通道内，考察其对超临界碳氢燃料低阻强化传热的可行性，并对微肋扰动下通道内碳氢燃料的裂解流动换热进行了详细探索。首先，建立了带有微肋的超燃冲压发动机冷却通道的三维流/热耦合RANS模型。对比分析了光滑通道与微肋通道的流动换热性能。发现微肋能够显著地降低通道壁面温度，提高冷却通道的换热能力，且微肋能有效缓解通道内的热分层现象、推迟和削弱传热恶化的作用。同时，由于超临界物性的剧烈变化而使微肋前缘出现“类冲击冷却”现象，并且通道侧壁的导热作用显著提高，这二者都有效促进了通

5、道内部流体径向掺混，提高了通道的整体对流换热能力。然后，采用正癸烷PPD裂解模型对带有单根微肋的微细通道内的裂解传热过程进行考察。研究发现微肋对通道中心处与近壁面处裂解反应的影响不同。微肋复杂的二次流动与强剪切效应显著提高了近壁面流体的对流换热，壁温下降，燃料裂解程度因此下降；微肋显著增强了通道中心流体径向的掺混，使流体停留时间增加，从而促进热裂解反应。同时，活化能越低、指前因子越大，裂解反应越容易发生且速率更快，通道对流换热能力越高；而热流密度越大，通道热分层效应越严重；通道压力升高时流体速度降低，通道整体对流换热能力降低。且越靠近临界压力，微肋前缘与后缘出现的局部换热

6、强化与弱化变化越剧烈；微肋高度的增加带来的湍流强度的增加显著提高了通道内径向流体的掺混和裂解，通道内燃料的对流换热能力显著提高。关键词：超临界碳氢燃料；微肋；强化传热；微细通道-I-哈尔滨工业大学硕士学位论文AbstractRegenerativecoolingprocessisveryimportantforthermalprotectivesystemofhydrocarbonfueledscramjetengine.Inordertoweakenthethermalstratificationandheattransferdeteriorationinsidethe

7、coolingchannel,numericalinvestigationsoftheflowandheattransfercharacteristicsofsupercriticalhydrocarbonfuelinrectangularminicoolingchannelswithmicro-ribsareapplied.Firstly,a3-dfluid-solid-thermalcouplemodelwithransturbulencemodelofamicro-ribbedcoolingchannelforscram