低温甲烷在水平圆管中的超临界湍流传热数值研究

论文摘要

基于商用计算流体动力学(CFD)软件Fluent的用户编程功能,本文建立了一套完整的用来模拟低温甲烷在超临界压力下的湍流流动与传热现象的数值计算模块,它的主要特点在于能够准确考虑超临界甲烷的热力学和传输物性变化。在此基础上针对液氧／甲烷火箭发动机主动再生冷却系统中的相关工作条件,通过数值模拟详细研究了超临界状态下入口压力、壁面热流密度、入口速度和入口温度对甲烷的湍流流动和传热过程的影响,揭示了湍流传热Nusselt数的变化情况。计算结果表明当甲烷的压力和温度都处于其临界区域时,壁面物性的剧烈变化会造成传热恶化现象；在超临界压力下,增大压力(在高热流密度情况下更为明显,如7 MW/m2)、提高入口速度、降低入口温度有利于提高对流换热效果；通过对比发现Sieder & Tate和Gnielinski对流传热关系式不能适用于超临界压力下甲烷的对流换热计算,在超临界H20和C02的对流传热关系式的基础上,通过修正Jackson & Hall公式,找到了能够基本适用于超临界甲烷的对流传热关系式。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 术语表
• 第1章 绪论
• 1.1 超临界流体及超临界流体传热的应用
• 1.2 国内外超临界流体传热的研究状况
• 1.2.1 国际上的研究状况
• 1.2.2 国内的研究状况
• 1.3 超临界低温甲烷传热的研究意义
• 第2章 数值方法
• 2.1 几何模型与边界条件类型
• 2.2 浮升力的影响
• 2.3 控制方程
• 2.3.1 质量守恒方程
• 2.3.2 动量守恒方程
• 2.3.3 能量守恒方程
• 2.4 湍流模型
• 2.4.1 有效扩散系数
• 2.4.2 湍流生成项
• 2.4.3 湍流耗散项
• 2.4.4 交叉扩散项
• 2.5 边界条件
• 2.6 物性的计算方法
• 2.6.1 密度ρ
• p'>2.6.2 定压比热c_p
• 2.6.3 粘性系数μ
• 2.6.4 导热系数λ
• 2.7 网格生成及独立性分析
• 2.8 数值模型验证
• 2.9 本章小结
• 第3章 压力对甲烷超临界湍流传热的影响
• 3.1 低热流密度下压力对甲烷超临界湍流传热的影响
• 3.2 高热流密度下压力对甲烷超临界湍流传热的影响
• 3.3 浮升力的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 其它参数对甲烷超临界湍流传热的影响
• 4.1 热流密度对甲烷超临界湍流传热的影响
• 4.2 入口速度对甲烷超临界湍流传热的影响
• 4.3 入口温度对甲烷超临界湍流传热的影响
• 4.4 浮升力的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 附录C
• 作者简历