再生冷却通道内耦合传热特性分析-工程热物理年会

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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编号：083326再生冷却通道内耦合传热特性分析王魁波，夏新林哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001Tel：0451-86412148，E-mail：xiaxl@hit.edu.cn摘要：基于对流–辐射耦合边界条件下的导热理论，建立了再生冷却通道的耦合换热计算模型。结合有限容积法、对流准则式和蒙特卡罗法建立相应数值模型。在考虑冷却剂热物性与辐射特性随温度变化的条件下，对四种典型的对流换热实验关联式的适用性进行了计算分析，讨论了不同条件下冷却通道内辐射换热的作用。研究结果表明：应采用Pet

2、ukhov等推荐的准则式计算超临界航空煤油的强制对流换热；再生冷却通道内的辐射换热在高壁温、低温差时不能忽略。关键词：主动冷却；再生冷却；辐射换热；对流换热关联式；超临界0前言超燃冲压发动机和大推力液体火箭发动机燃烧室温度极高，热流密度很大，这就需要主动冷却系统来使燃烧室壁面温度维持在一定范围之内。再生冷却是当前最常用、最经济的推力室主动冷却技术，它把耐高温金属材料做成的冷却套紧连在发动机主结构上，用燃料做冷却剂，冷却剂在冷却套中流动，通过表面的热交换来冷却发动机壁面，燃料自身受热升温后流出冷却套，再经喷注器注入燃烧室，这样便把从内壁吸收的

3、热量又带回到燃烧室，能量得以再生。国内外许多学者都对再生冷却进行过研究，主要采用两种方法：(1)基于准则关系式或一维流动假设的工程计算方法，如Curren[1]和祁锋[2]等；(2)CFD/CHT相结合的方法，如Frohlich[3]、Wang[4]和牛禄[5]等。但他们仅研究了再生冷却通道导热和对流换热的耦合换热，并没有考虑通道壁面和冷却剂间的辐射换热。本文考虑了冷却通道的辐射换热，建立了冷却通道导热、对流换热以及辐射换热的耦合计算模型。通过数值计算，重点分析了冷却通道内辐射换热的作用。1数理模型1.1简化假定图1为再生冷却通道半个流动单

4、元横截面示意图。通道材料选镍基合金Inconel617，冷却剂为航空煤油。冷却剂在再生冷却流道中一般处于超临界状态，因此必须考虑其热物性随温度和压强发生的剧烈非单调性变化。计算中假设：(1)超临界航空煤油无相变潜资助项目：？？？？？？？？(No.xxxxxxxxxxxx)图1半个流动单元横截面示意图ABCDFinBaseplateshroudCoolantfbeadTwc热的释放吸收，其换热过程具有单相流动的特点；(2)超临界航空煤油满足Peng-Robinson状态方程；(3)再生冷却结构采用扩散焊接得到，板片之间的接触热阻可以不计；(4

5、)忽略冷却剂和固体冷却通道的轴向导热。(5)燃气侧壁面温度均匀分布；(6)冷却通道材料和冷却剂均为漫灰体，辐射具有截面内二维性质；(7)忽略冷却通道向环境的散热。1.2控制方程和边界条件冲压发动机燃气侧壁面温度极高，因而再生冷却实际涉及到通道材料导热、冷却剂对流换热以及冷却通道内壁和冷却剂间的辐射换热。对于三者的耦合换热，本文将通道内壁和冷却剂间的对流换热、辐射换热作为通道材料导热的边界条件。通道材料的二维稳态导热微分方程为：(1)边界条件：BC给定为第一类边界条件：；AB和CD均为对称边界条件：；AD为绝热边界条件：；与冷却剂接触的内边界

6、为对流辐射边界条件：。1.3壁面与冷却剂间的对流换热通道内壁与冷却剂间的热交换主要是以对流方式进行的，冷却剂的流动是湍流流动，其对流换热是管内湍流换热，本文采用Petukhov等推荐使用准则式计算[6]：(2a)(2b)(2c)式中：ζ为通道内湍流流动的达尔西阻力系数，按弗罗年柯(Filonenko)公式计算：(3)1.4壁面与冷却剂间的辐射换热采用蒙特卡罗法(MCM)计算冷却通道内壁和冷却剂间的辐射换热，假定参与辐射的面元总数，体元总数，面元参与辐射的面积为，发射率为，体元的体积为，吸收系数为，单元对单元的辐射传递因子为，则任意面元辐射换

7、热净吸热量为[7]：(4)任意体元辐射换热净吸热量为：(5)1.5冷却剂物性模型冷却剂选用航空煤油，其定压比热、导热系数和动力粘度参看文献[8]，计算其密度采用Peng-Robinson状态方程[9]：(6)式中：为压强，为气体普适常数，是摩尔体积，是和物质性质相关的常数。航空煤油的光谱吸收指数取自文献[10]，采用平均吸收系数计算其介质辐射，入射平均吸收系数的计算公式[11]：(7)ABCDEFGH图2网格划分示意图2数值模型采用内节点法对固相区域进行离散，在温度变化剧烈的基板处加密网格，网格划分如图2所示，计算通道内壁面和冷却剂间辐射换

8、热的网格与固相区域的网格相匹配；采用控制容积积分法建立离散方程；边界条件的处理采用附加源项法。内边界EFGH各单元的辐射换热热流、对流换热系数均是局部壁面温度的函数，而内壁温是未