考虑发动机冷却通道固壁内耦合导热影响的低温甲烷超临界压力传热研究.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252013V01．34No．18—18ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：Ehkxb．buaaeducahkxb@buaa．edu．crl考虑发动机冷却通道固壁内耦合导热影响的低温甲烷超临界压力传热研究陈尊敬，王雷雷，孟华*浙江大学航空航天学院，浙江杭州310027摘要：在考虑发动机冷却通道固壁内耦合导热影响的情况下，开展了低温甲烷在矩形冷却通道中的超临界压力湍流换热数值模拟研究；仔细分析了热流密度及管道几何形状对低温甲烷

2、超临界压力下的流动和传热的影响；得到了流体速度、壁面温度、壁面热流密度等参数的详细变化情况以及Nusselt数的变化规律。计算结果表明：在考虑流固耦合作用时，上壁面施加的热流有一部分会通过固体壁面内的热传导，经由侧壁面传人超临界压力流体，并且随着热流密度的增加，经侧壁面传导的热流所占的比例也会随之增大；减小冷却通道内截面的高宽比，可以提高超临界压力下的换热效果，但流动压降会大大增加，因此冷却通道高宽比的选择需综合考虑传热与压力损失的影响，可以引入热性能参数作为参考；修正的Jackson＆Hall对流换热关系式基本可以适用于本文中的

3、各种工况。关键词：超临界压力传热；主动冷却；甲烷；流固耦合；数值模拟中图分类号：V511+．6文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)Ol一0008—1i碳氢燃料的主动再生冷却技术是超燃冲压发动机及火箭发动机热防护的有效方法，在航空发动机中有潜在的应用价值。甲烷作为一种低温碳氢燃料具有很多优点，相比低温液氢，它的密度更大，而且储存温度也更高；相对其他常温碳氢燃料，如航空煤油，它的传热效果更好，也不易发生结焦积碳现象，这一点对发动机的主动冷却过程非常重要。在发动机的主动冷却过程中，甲烷在注入到燃烧室之前先流经燃烧室壁面

4、内的冷却通道以吸收发动机释放的热量。为了提高喷油效果，冷却通道内的工作压力通常超过了甲烷的临界压力，因此甲烷在冷却通道中受热向超临界状态转变。超临界压力下流体的物性，如黏度、密度、导热系数、定压比热等，会随温度和压力的变化而出现很大的变化(特别是在虚拟临界点区域)，这就使得超临界压力流体的流动和传热现象非常复杂。对超临界压力流动和传热的研究受到了国内外科研人员的重视，开展了相关实验和数值模拟研究，并在超临界压力二氧化碳和水的流动和传热方面取得了较好的研究成果[1。5]。Liao[11和He[21等针对超临界压力二氧化碳在微通道内的

5、换热过程分别开展了实验和数值模拟研究，结果表明物性变化会对换热过程产生很大的影响。姜培学等研究了超临界压力二氧化碳在竖直细圆管中的对流换热情况[3]，并分析了浮升力和热加速对换热过程的影响[4]。Lee则对超临界压力水在水平矩形管道中的对流换热过程开展了实验研究[5]。收稿日期：2012-01—21；退修日期：2012—02．26；录用日期：2012—04-09；网络出版时间：2012-04-1710：03网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20120417．1003．006．htmI

6、基金项目：浙江省自然科学基金(R1100300)*通讯作者．Tel．：0571—87952990E-mail：menghua@zju．edu．on引用撂武tthenZJ．WangLL．MengH．Studyofheattransferofcryogenicmethaneundersupercriticalpressurewithconsiderationofther—malconductioninenginecoolingchannelwalls．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，3

7、4(

8、)：8—18．陈尊敬，I雷雷，i华．考虑发动机冷却通道圄壁内耦合导热影响的低温甲烷超临界压力传热研究．航空学报．2013．34({)：8—18陈尊敬等：考虑发动机冷却通道固壁内耦合导热影响的低温甲烷超l临界压力传热研究与超临界压力二氧化碳和水的换热过程相同，物性变化会对超l临界压力碳氢燃料的换热过程产生重要影响。但不同的是，超临界压力碳氢燃料在冷却发动机燃烧室的过程中可能会承受很高的热流，因而物性变化会更加剧烈。另外，在高温条件下碳氢燃料还可能会发生热裂解反应。但后一点在低温甲烷超临界压力传热中的影响很小。胡志宏等通过电加热

9、圆管对航空煤油超临界压力传热开展了实验研究[6]，并探讨了高热流条件下超临界压力煤油流过小直径不锈钢管的传热特性[7]。侯凌云等对乳化煤油在超临界压力下的传热过程开展了数值模拟研究哺]。Zhong等研究了中国3号航空煤油在超临界状态下的传热特性[9