本文關(guān)鍵詞：超臨界壓力航空煤油熱聲振蕩與傳熱惡化的機(jī)理及預(yù)測(cè)研究

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【摘要】：超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作于燃燒放熱和氣動(dòng)加熱引起的極端惡劣環(huán)境下,面臨著嚴(yán)峻的材料熱防護(hù)問題。采用吸熱型碳?xì)淙剂献鳛槔鋮s劑的再生冷卻,通過燃料的物理熱沉和化學(xué)熱沉吸收熱量,可以高效地解決這一問題。在再生冷卻通道內(nèi),碳?xì)淙剂瞎ぷ鲏毫Ω哂谄渑R界壓力,超臨界壓力下熱物性特殊變化引發(fā)了復(fù)雜的流動(dòng)傳熱現(xiàn)象。因此,研究超臨界壓力下碳?xì)淙剂系牧鲃?dòng)傳熱過程對(duì)再生冷卻技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。目前,對(duì)超臨界壓力下碳?xì)淙剂狭鲃?dòng)傳熱過程的研究雖然較為豐富,但是對(duì)熱聲振蕩和傳熱惡化的機(jī)理以及預(yù)測(cè)問題還少見報(bào)道。本文基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法,以RP-3航空煤油為研究對(duì)象,開展了相關(guān)的研究。首先,對(duì)超臨界壓力航空煤油在豎直上升圓管內(nèi)的非穩(wěn)定流動(dòng)換熱和穩(wěn)定流動(dòng)換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。1)對(duì)于非穩(wěn)定流動(dòng)換熱,填補(bǔ)了過渡區(qū)熱聲振蕩形成機(jī)理、臨界條件、振蕩后換熱性能量化預(yù)測(cè)研究的欠缺。研究表明：進(jìn)口雷諾數(shù)低于4100時(shí),厚的熱邊界層促發(fā)黏性邊界層的周期性不穩(wěn)定,出現(xiàn)了熱聲振蕩現(xiàn)象。隨著熱流密度或壓力提高,黏性邊界層波動(dòng)減弱,熱聲振蕩減弱。隨著質(zhì)量流率提高,熱邊界層轉(zhuǎn)捩過程縮短,熱聲振蕩也受到抑制。同時(shí),振蕩壁溫高于擬臨界溫度后,周期性的擬沸騰效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步加劇熱聲振蕩現(xiàn)象。采用進(jìn)口擬過冷度和出口擬相變數(shù)兩個(gè)無量綱數(shù)描述穩(wěn)定性邊界,首次建立了利用運(yùn)行參數(shù)對(duì)熱聲振蕩預(yù)測(cè)的關(guān)系式,以及振蕩后換熱預(yù)測(cè)的關(guān)系式。2)對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)換熱,詳細(xì)考察了傳熱惡化的形成機(jī)理,解決了換熱的量化預(yù)測(cè)問題。研究表明：低質(zhì)量流率下,過渡區(qū)傳熱惡化是由浮升力和熱加速引起的,采用浮升力項(xiàng)和熱加速項(xiàng)修正建立了換熱關(guān)系式,湍流區(qū)傳熱惡化是由浮升力引起的,采用浮升力項(xiàng)修正建立了換熱關(guān)系式。高質(zhì)量流率下,過渡區(qū)傳熱惡化是由浮升力引發(fā)的,湍流區(qū)傳熱惡化是由類膜態(tài)沸騰導(dǎo)致的,分別采用密度項(xiàng)和導(dǎo)溫系數(shù)項(xiàng)修正建立了過渡區(qū)和湍流區(qū)的換熱關(guān)系式。其次,在數(shù)值方法可靠性得到充分驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,對(duì)超臨界壓力航空煤油在豎直圓管和水平圓管內(nèi)的對(duì)流換熱進(jìn)行了數(shù)值研究。與實(shí)驗(yàn)研究不同,根據(jù)熱流密度選擇不同的管道長度,以獲得完整的流動(dòng)換熱過程。1)對(duì)于豎直圓管,著重考察了傳熱惡化的形成機(jī)理和臨界條件,研究表明：低主流溫度區(qū)和高主流溫度區(qū)發(fā)現(xiàn)了兩類傳熱惡化現(xiàn)象。前者對(duì)應(yīng)管段近壁湍動(dòng)能和壁面剪切力異常分布,傳熱惡化是由熱加速引起的；后者對(duì)應(yīng)管段徑向流速和近壁質(zhì)量流率異常分布,傳熱惡化是由不平衡壓差引起的,是一種類膜態(tài)沸騰現(xiàn)象。首次構(gòu)建了類膜態(tài)沸騰的作用機(jī)制,解決了類膜態(tài)沸騰作用的臨界條件預(yù)測(cè)問題,其熱流密度臨界值與質(zhì)量流率和壓力之間均呈線性增長關(guān)系。2)對(duì)于水平圓管,重點(diǎn)分析了二次流的演變規(guī)律、二次流對(duì)傳熱惡化的影響機(jī)制、二次流作用的量化預(yù)測(cè)等問題,研究表明：擬臨界區(qū)強(qiáng)二次流效應(yīng)與類膜態(tài)沸騰效應(yīng)疊加,出現(xiàn)了沿管周向非均勻的傳熱惡化現(xiàn)象。通過格拉曉夫數(shù)表征二次流的影響,建立了管頂部和管底部換熱差異的預(yù)測(cè)關(guān)系式。最后,基于再生冷卻通道的實(shí)際結(jié)構(gòu)和受熱方式,對(duì)通道頂壁面外側(cè)施加恒定熱流密度和恒定溫度條件下方形通道內(nèi)超臨界壓力航空煤油的流動(dòng)傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值研究,著重解決了固壁熱傳導(dǎo)和傳熱惡化的耦合機(jī)制以及固壁內(nèi)側(cè)的熱流密度量化預(yù)測(cè)問題。1)恒定外壁熱流密度條件下,研究表明：傳熱惡化出現(xiàn)在擬臨界區(qū),表現(xiàn)為加熱側(cè)內(nèi)壁面壁溫突增且熱流密度劇減的綜合特征。采用溫度項(xiàng)修正建立了該換熱情況下加熱側(cè)內(nèi)壁面和側(cè)壁面內(nèi)側(cè)熱流密度的預(yù)測(cè)關(guān)系式。2)恒定外壁溫度條件下,研究表明：傳熱惡化出現(xiàn)在壁面流體比熱容達(dá)到峰值以后,僅表現(xiàn)為加熱側(cè)內(nèi)壁面熱流密度異常減小的單一特征。采用體積熱容項(xiàng)修正建立了加熱側(cè)內(nèi)壁面和側(cè)壁面內(nèi)側(cè)熱流密度的預(yù)測(cè)關(guān)系式。
【關(guān)鍵詞】：超臨界壓力 航空煤油 熱聲振蕩 傳熱惡化 預(yù)測(cè)關(guān)系式
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V312
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-20
• 主要符號(hào)表20-23
• 1 緒論23-44
• 1.1 研究背景與意義23-26
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀26-41
• 1.2.1 熱物理性質(zhì)26-28
• 1.2.2 流型可視化28-30
• 1.2.3 非穩(wěn)定流動(dòng)30-32
• 1.2.4 傳熱惡化32-37
• 1.2.5 二次流效應(yīng)37-38
• 1.2.6 熱裂解和結(jié)焦對(duì)換熱的影響38-39
• 1.2.7 對(duì)流換熱關(guān)系式39-41
• 1.3 國內(nèi)外研究的不足41-42
• 1.4 本文主要工作42-44
• 2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及不確定度分析44-57
• 2.1 引言44
• 2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方法44-49
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)44-47
• 2.2.2 參數(shù)測(cè)量47-49
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟49
• 2.3 實(shí)驗(yàn)工質(zhì)49-53
• 2.4 數(shù)據(jù)處理與不確定度分析53-56
• 2.4.1 數(shù)據(jù)處理53-54
• 2.4.2 不確定度分析54-56
• 2.5 本章小結(jié)56-57
• 3 豎直圓管內(nèi)航空煤油熱聲振蕩實(shí)驗(yàn)分析57-72
• 3.1 引言57
• 3.2 熱聲振蕩機(jī)理與影響因素分析57-66
• 3.2.1 熱聲振蕩機(jī)理57-61
• 3.2.2 熱流密度的影響61-63
• 3.2.3 質(zhì)量流率的影響63-65
• 3.2.4 運(yùn)行壓力的影響65-66
• 3.3 熱聲振蕩臨界條件與換熱預(yù)測(cè)66-70
• 3.3.1 熱聲振蕩臨界條件66-69
• 3.3.2 振蕩后換熱預(yù)測(cè)69-70
• 3.4 本章小結(jié)70-72
• 4 豎直圓管內(nèi)航空煤油傳熱惡化實(shí)驗(yàn)分析72-94
• 4.1 引言72
• 4.2 高流量下的傳熱惡化機(jī)理與換熱預(yù)測(cè)72-84
• 4.2.1 過渡區(qū)73-78
• 4.2.2 湍流區(qū)78-84
• 4.3 低流量下的傳熱惡化機(jī)理與換熱預(yù)測(cè)84-92
• 4.3.1 過渡區(qū)84-89
• 4.3.2 湍流區(qū)89-92
• 4.4 本章小結(jié)92-94
• 5 圓管內(nèi)航空煤油傳熱惡化數(shù)值分析94-122
• 5.1 引言94
• 5.2 數(shù)理模型與數(shù)值方法94-99
• 5.2.1 物理模型94-95
• 5.2.2 控制方程95-96
• 5.2.3 網(wǎng)格劃分與數(shù)值方法96-97
• 5.2.4 模型與數(shù)值方法驗(yàn)證97-99
• 5.3 豎直圓管內(nèi)傳熱惡化分析99-112
• 5.3.1 換熱特性概述99-100
• 5.3.2 熱物性對(duì)傳熱惡化的影響100-101
• 5.3.3 低溫區(qū)傳熱惡化機(jī)理：熱加速效應(yīng)101-104
• 5.3.4 高溫區(qū)傳熱惡化機(jī)理：類膜態(tài)沸騰效應(yīng)104-107
• 5.3.5 熱加速引發(fā)傳熱惡化的臨界條件107-109
• 5.3.6 類膜態(tài)沸騰傳熱惡化的臨界條件109-112
• 5.4 水平圓管內(nèi)傳熱惡化分析112-120
• 5.4.1 換熱特性概述112-114
• 5.4.2 二次流演變規(guī)律114-118
• 5.4.3 二次流對(duì)傳熱惡化的影響118-119
• 5.4.4 二次流效應(yīng)預(yù)測(cè)119-120
• 5.5 本章小結(jié)120-122
• 6 非對(duì)稱受熱方形通道內(nèi)航空煤油傳熱惡化數(shù)值分析122-137
• 6.1 引言122-123
• 6.2 數(shù)理模型與數(shù)值方法123-124
• 6.3 定外壁熱流條件下的換熱分析124-132
• 6.3.1 換熱特性概述124-126
• 6.3.2 傳熱惡化與固壁熱傳導(dǎo)的耦合機(jī)制126-130
• 6.3.3 內(nèi)壁熱流密度預(yù)測(cè)130-132
• 6.4 定外壁溫度條件下的換熱分析132-136
• 6.4.1 換熱特性概述132-133
• 6.4.2 傳熱惡化與固壁熱傳導(dǎo)的耦合機(jī)制133-135
• 6.4.3 內(nèi)壁熱流密度預(yù)測(cè)135-136
• 6.5 本章小結(jié)136-137
• 7 結(jié)論與展望137-140
• 7.1 結(jié)論137-138
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)138
• 7.3 展望138-140
• 參考文獻(xiàn)140-148
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果148-149
• 致謝149-150
• 作者簡(jiǎn)介150

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本文編號(hào)：1133024