超临界压力低温甲烷波纹管内强化换热数值研究.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252017V01．38No．5SSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．educnhkxb@buaa．edu．cn超临界压力低温甲烷波纹管内强化换热数值研究黄世璋，阮波，高效伟*大连理工大学航空航天学院，大连116024摘要：以发动机主动再生冷却系统为研究对象，建立了碳氢燃料热物性高精度计算方法，在此基础上对超临界压力下低温甲烷在水平波纹管内的流动换热现象展开数值研究，初步分析了波纹管强化换热机理。进一步系统研究了波纹管节高比、管壁材料导热系数、壁面热流

2、密度、入El压力以及雷诺数对强化换热和阻力特性的影响，并采用综合换热性能评价准则对各种因素的影响进行评价。研究表明：在超临界压力下合理选择波纹管可以显著提升换热能力，消除传热恶化现象，并且不会带来明显的压降损失；存在一个最优波高和最佳雷诺数，使波纹管具有最优的综合换热性能；增大管壁材料导热系数和甲烷入口压力可提高换热能力。关键词：超临界压力；低温甲烷；波纹管；强化换热；主动再生冷却中图分类号：V434+．14文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)05—120515—14采用机载碳氢燃料作为冷却剂的主动再生冷却技术是目前最有效的冷却方式之一，在液体火箭发动机热防

3、护中发挥着重要作用。主动再生冷却的基本原理是燃料在进入燃烧室之前，首先流经燃烧室壁内的冷却通道，将燃烧室壁面温度降低至材料允许的温度，同时将带走的热量回收至燃烧室再利用[1。2]。随着当代大型液体火箭发动机推力、比冲的不断提升，燃烧室压力和热负荷急剧增加，室壁冷却面临着更高热流的挑战，传统的冷却通道已经无法满足高效冷却的要求，需要从冷却结构和强化换热等方面采取措施来解决高压推力室高热流下的冷却问题。常用的强化换热方法有冷却通道内加肋、人工粗糙元以及球凹陷等形式[3。5]。相比之下，波纹管由于结构简单、加工技术成熟、不易结垢和堵塞及较高的综合换热性能等优点，在工业中得到广泛应用

4、‘6

5、。国内外学者针对波纹管强化换热展开了多方面的研究。肖金花等[71对水在波纹管内的流动与换热特性进行了数值模拟，结果表明波纹管能显著提高换热能力，其强化倍数达到相同条件下光滑管的I．06～3．00倍；曾敏等[8]通过实验研究了波纹管内空气强化换热及阻力特性，发现在换热强化的同时阻力系数也随之增加，但综合换热性能优于传统光滑管。Yang等[9]研究了油一水混合物在螺旋波纹管内的换热和阻力特性，结果表明，相对于光滑管道，螺旋波纹管换热系数增加了30％～120％，同时阻力系数增加了60％～160％。Vicente等[1”¨1通过实验对比研究了水和乙二醇在螺旋波纹管和光滑管内的流

6、动换热现象，研究发现强化换热带来的阻力增加在5％～20％之间，而努塞尔数在高雷诺数时可增加30％。Barba等[12]研究了中等雷诺数(100≤Re≤800)下乙二醇在波纹管内的换热和压降特收稿日期：2016．06—11；退修日期：2016—07—07；录用日期：2016．07．31；网络出版时间：2016-08—2316：15网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V201608231615．004．html基金项目：国家自然科学基金(11172055)；中国博士后科学基金(2014M561235)*通讯作者．E-mail：xwgao

7、@dlut．edu．crl礅焉格武

8、黄世璋。阮波．高效伟i超临界压力低温甲烷波纹管内强化换热数值研究【如．航空学报。2017．38(5)：120515．HUANGSZ。RUAN日。GAOXW．Numericalinvestigationofheattransferenhancementofcryogenic-propellantmethaneincorrugatedtubesatsupercriticalpressuresEJ9．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017，38(5)：120515．120515．1航空学报性，相对于光滑管

9、道，波纹管努塞尔数显著提升，且阻力系数仅增加1．83～2．45倍。Laohalert—decha和Wongwises[”]对R一134a制冷剂在螺旋波纹管内的流动换热和压降特性进行了实验研究，发现随着壁面热流和质量流量增加，平均换热系数和压降也逐渐增大；与光滑管道相比，换热系数和压降分别增大50％和70％。目前有文献报道的关于波纹管强化换热研究主要集中在常压下的流动换热，对于超临界压力下强化传热性能的研究尚不多见。本文针对超临界压力下低温甲烷在水平波纹管中的流动换热现象展开数值模拟研究，重点考察波纹管节