再生冷却超燃冲压发动机启动阶段的传热特性研究

论文摘要

本文以再生冷却超燃冲压发动机启动阶段的煤油传热特性为研究对象,采用理论分析、数值模拟和试验验证的方法,对非稳态、低热流条件下煤油的传热特性、冷却通道参数对传热性能的影响展开了研究。数值仿真部分基于SUPERTRAPP计算的煤油物性模型,对不同构型参数的冷却通道进行了数值模拟,得出了冷却通道构型参数对冷却通道换热性能的影响规律,为超燃冲压发动机主动冷却通道的设计提供了参考。研究发现:内壁厚度越薄,宽高比越大,流速越大的冷却通道换热性能越好。试验部分采用辐射加热的方式,模拟超燃冲压发动机燃气与内壁面的传热过程。研究发现:采用节流件控制冷却通道压力时,试验曲线呈“三段式”结构;在质量流量相同的前提下,若节流件喉部直径相同,则无论是否预热,冷却介质最终将达到相同的稳定状态,预热冷却介质可以减小达到稳态的时间;临界压力附近油温曲线“几”字形传热现象是由煤油比热的一阶导数在临界压力附近不连续导致的;油温曲线斜率在拟临界点附近先减小后增大,且斜率的变化随着压力的升高而变得平缓的现象,是由拟临界点前后煤油比热先增大后减小,且比热的变化趋势随着压力的升高而变得平缓导致的;试验中的低频振荡现象是由两相流动中的密度波不稳定性引起的,振荡周期为与煤油在冷却通道内滞留时间的1~2倍。设计了相同冷却面积,不同冷却通道参数共八组单通道冷却面板试验件。对试验的非稳态能量传递过程进行了理论分析,对肋效率、有效换热面积、内壁厚度、通道截面形状、对流换热系数等因素对试验件换热性能的影响进行了理论分析和推导,并与仿真结果、试验结果进行比较。研究发现:肋片增强换热是因为增大了换热面积,最佳肋片应使肋面总效率与换热总面积的乘积最大;内壁厚度越薄,导热热阻越低,对换热越有利;梯形截面冷却通道提高换热性能的原因是类似“三角形”的梯形肋效率高于矩形直肋的肋效率;提高对流换热系数的有效方法是提高流速,在质量流量不变的前提下可采取减小冷却通道截面积的方法来提高流速,但较小的冷却通道可能导致有效换热面积减小;温升对于换热具有正反馈作用,原因在于温度升高导致煤油的比热也随之升高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 吸热型碳氢燃料研究进展
• 1.3 超燃冲压发动机主动冷却技术的研究进展
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 数值模拟方法及仿真结果分析
• 2.1 数值方法
• 2.1.1 控制方程
• 2.1.2 湍流模型
• 2.1.3 数值模拟方法
• 2.1.4 网格划分及边界条件的设定
• 2.2 物性模型
• 2.3 数值计算结果及分析
• 2.3.1 矩形通道内壁厚度（td）对换热性能的影响
• 2.3.2 矩形通道宽高比对换热性能的影响
• 2.3.3 矩形通道截面积（入口流速）对换热性能的影响
• 2.4 小结
• 第三章 试验系统设计与试验方案
• 3.1 试验系统布置
• 3.1.1 超临界流体传热流动试验台
• 3.1.2 辐射加热器
• 3.1.3 电加热器
• 3.2 试验系统调试
• 3.3 试验件设计
• 3.3.1 试验件尺寸及冷却通道参数的初步设计
• 3.3.2 煤油流量及流速估算
• 3.3.3 节流件的设计
• 3.4 试验内容及安排
• 3.4.1 高宽比对冷却通道传热的影响
• 3.4.2 截面形状对冷却通道传热的影响
• 3.4.3 内壁厚度对冷却通道传热的影响
• 3.4.4 流速对冷却通道传热的影响
• 3.4.5 试验计划安排
• 3.5 小结
• 第四章 启动过程冷却通道内的煤油主动冷却特性研究
• 4.1 试验条件分析
• 4.1.1 非稳态能量传递过程
• 4.2 采用背压调节阀控制冷却通道压力方式的传热特性
• 4.2.1 一组典型试验结果的分析
• 4.2.2 临界压力附近不同压力下煤油的传热特性
• 4.3 采用节流件控制冷却通道压力方式的传热特性
• 4.3.1 文氏管和节流件流量公式
• 4.3.2 “三段式”结构成因
• 4.3.3 “几”字形等特殊传热现象
• 4.4 两种节流方式的特点比较
• 4.5 试验难以达到稳态的原因分析
• 4.6 冷却通道内两相流动的不稳定性分析
• 4.6.1 采用背压调节阀控制压力时的密度波不稳定性
• 4.6.2 采用节流件控制压力时的密度波不稳定性
• 4.7 小结
• 第五章 冷却通道参数对主动冷却效果影响的对比研究
• 5.1 试验件换热性能优劣的评价指标
• 5.2 试验件换热性能的分析
• 5.2.1 等截面直肋的效率及肋面总效率
• 5.2.2 内壁厚度对换热好坏的影响
• 5.2.3 关于梯形截面试验件的分析
• 5.2.4 对流换热系数的影响因素
• 5.2.5 温升对换热的正反馈作用
• 5.2.6 其他因素对换热性能的影响
• 5.3 仿真与试验的比对方法
• 5.4 对比试验的结果分析
• 5.4.1 冷却通道宽高比对其传热性能的影响
• 5.4.2 内壁厚度对传热的影响
• 5.4.3 流速（截面积）对传热的影响
• 5.4.4 梯形冷却通道的换热性能
• 5.5 小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果