竖直圆管内超临界碳氢燃料换热恶化的直径效应.pdf

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1、航空学报Ocl．252016V01．37No．102941-2951ActaAeronauticaetAstronauticaSinjcalSSN1000—6893CN11-1929／VhltD：∥hk×b．buaa．edu．cnhkxb《萤buaa．edu．cn竖直圆管内超临界碳氢燃料换热恶化的直径效应程泽源，朱剑琴*，李海旺北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室，北京100083摘要：利用Fluent对超临界压力下直径对碳氢燃料换热恶化的影响进行数值研究，湍流模化采用Launder-Sharm

2、a(LS)低雷诺数模型，物性采用广义对应态法则对RP一3替代燃料计算。计算条件：系统压力为3MPa，进口温度为573K，热流密度为500kw／m2，质量流量为o．0015和o。003okg／s，直径范围为l～lomm。正常换热条件下的计算壁温和实验结果基本吻合，证明了计算方法的准确度。结果表明：强制对流下小质量流量时直径越大，换热恶化程度更高且更提前发生，换热恶化是由定压比热容处于极大值后的急剧下降区导致的，大质量流量时直径与壁温成正比，无换热恶化发生；浮升力效应仅在小质量流量下起作用，随着直径增大而加强，给出RP一3流动换热

3、时浮升力起作用的判据和不同直径下换热恶化的边界。关键词：超临界；碳氢燃料；换热恶化；直径；浮升力中图分类号：V312+．1文献标识码：A文章编号：1000～6893(2016)10一2941—11超燃冲压发动机面临的关键问题之一是燃烧室冷却问题，高超声速气流产生的气动加热可使发动机进气总温达3000K以上，需采用主动冷却方式以保证燃烧室可靠工作口]。碳氢燃料在吸收燃烧室的热量之后进入燃烧室中燃烧，使吸收的能量返回到做功循环中，因此也称为再生冷却，其显著特征是碳氢燃料工作在超临界压力，超临界压力下流动换热呈现出和亚临界压力下相比

4、特殊的规律，应进行深入的研究[2]。换热恶化是发生在超临界状态的特有现象，表现为高热流密度下的壁温升高和对流换热系数的下降，壁温的急剧升高使得材料失效，实际工作需避免换热恶化的发生-3]。尽管国内外学者用数值模拟和试验测量的方法从换热恶化的起始点、物性效应、工况影响和传热关联式等角度对换热恶化进行了大量研究[4。]，但对换热恶化的机理仍未形成统一的定论。目前对换热恶化的研究大多数针对水和二氧化碳，对碳氢燃料的研究较少‘8一⋯。少数研究者考虑流动换热的几何影响，Shiralkar和PeterLl01对不同直径下超临界CO：在竖直

5、管中的流动换热进行了试验研究，结果发现直径从6．35mm减小到3．175mm时，壁温峰值的陡峭程度减弱，同时壁温峰值降低，换热恶化减弱。Zhi和Shuo[

6、妇采用STAR—CD求解器研究了水平圆管超临界水流动换热的直径效应，发现大直径(10mm)管受到较强的浮升力影响，直径增大，换热恶化的程度增加，随着质量流率的增大，换热恶化现象减弱甚至消失。本文利用Fluent对超临界压力下碳氢燃料在不同直径的圆管中的流动换热进行数值模拟，探究直径对换热恶化的影响，分析换热恶化的机收稿日期：2015—09-29；退修日期：2015-11·1

7、6；录用日期：2016．01．30；网络出版时间：2016．02—2308：59网络出版地址：www．cn¨net／kcms／detail门1．1929．V．20160223．0859．004．htmI基金项目：国家自然科学基金(51406005)；国防基础科研项目(B2120132006)*通讯作者．Tel：010·82339181E—mail：zhujianqinbuaa@sina．com确角罄武t程泽源．来囟琴，李海旺．竖直圆管内超临界碳氢燃辩换热恶化的直径效应!∞j航空学报．2016．37({O)：2941．2951。

8、chENGZY·ZHUJo·UHWDiametere忏ectonheattransferdeferiorationolsu。ercrltica

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11、roundlubestJj．ActaAeronaullcaetAs打onauticasinica．2016．37(10)：2941．2951。2942航空学报Oct252016v01．37No．10理并提出直径和换热恶化起始点之间的关联式，为再生冷却技术设计提供参考。1超临界碳氢燃料特性在某一压力下，随着温度升高，液体发生汽化反应变为气体，

12、当压力增大至某一值后，温度升高不再产生相变过程，此时压力称为临界压力。当压力超过临界压力时，流体的热物性随着温度变化呈现出特殊的规律，其中定压比热容随着温度升高出现先上升后下降的趋势，峰值点对应的温度称为拟临界温度。本文选择碳氢燃料RP一3作为研究工质，利用广义对应态法则对其