高速燃气喷射管道表面自然对流散热分析

论文摘要

喷射器是一种利用高压流体卷吸、引射低压流体的装置,因其具有结构简单、性能可靠、用途多等优点而被广泛用于各个领域。近年来,随着航空航天技术的飞速发展,动力系统的高空模拟试验日益频繁,喷射、引射器的研究应用也有了很大进展。当高速喷射流体或被引射流体的温度较高时,关于喷射器管壁的传热以及管道表面的自然对流散热分析是研究设计过程的重要环节,系统地深入开展研究具有实用的工程背景和理论意义。本文首先对环形喷射器内的流动进行二维轴对称数值仿真,得到管内的复杂流动规律以及喷射管分别用于冷流引射(被引射流300K左右)、高焓引射(被引射流1000K左右)及模拟高空试车(被引射流3000K甚至更高)三种不同用途时的管内流动规律与流体温度分布规律,以此作为喷射管与燃气之间的等效热阻计算的依据。下一步研究了管表面换热系数与管壁外表面温度、环境温度及管取不同材质等的关系,得到了喷射管表面散热受管壁温、环境温度、及管表面材质发射率等因素的影响规律。并利用等效热阻,应用有限体积元法,沿喷射管轴向划分为10段,每段分4层24个体积元,编制计算程序计算得到喷射管壁的三维稳态温度分布;为进一步验证所得结果,采用热流耦合计算,把喷射管内流体流动、喷射管固壁传热、表面自然对流散热作为一整体一体化计算,得到管内流动与管壁温度的分布,进而分析管壁的温度分布与喷射管内复杂流动之间的联系,为喷射管是否需要采用主动冷却方法提供理论依据。最后,在得到管壁温度分布后,分别分析了单管及多管在有限空间及大空间的自然对流散热情况,并分析各参数在大范围内变化时对单管及多管自然对流散热的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出和背景
• 1.2 自然对流散热发展及研究现状
• 1.3 喷射器的发展及研究现状
• 1.3.1 理论研究进展
• 1.3.2 实验研究进展
• 1.4 本论文主要研究内容
• 1.5 本章小节
• 第二章 高速燃气喷射管道内复杂流动流场的计算
• 2.1 计算方法
• 2.1.1 二维轴对称控制方程
• 2.1.2 湍流模型
• 2.1.3 近壁面处的处理
• 2.2 计算模型
• 2.2.1 网格划分
• 2.2.2 初始边界条件
• 2.3 计算结果与讨论
• 2.4 本章小节
• 第三章 燃气与管壁的传热分析
• 3.1 管表面散热分析
• 3.2 有限体积元法对管壁进行热分析
• 3.2.1 有限元体积元方法
• 3.2.2 管壁温度分布计算模型
• 3.2.3 热交换计算模型
• 3.2.4 计算结果讨论分析
• 3.3 燃气与管壁传热数值仿真
• 3.3.1 耦合数值传热方法
• 3.3.2 计算模型及方法
• 3.3.3 分析结果及分析
• 3.4 本章小节
• 第四章 单直管及多管大空间和有限空间自然对流散热分析
• 4.1 单管在有限空间自然对流散热分析
• 4.1.1 物理模型及数学模型
• 4.1.2 计算结果及结果分析
• 4.2 多管有限空间自然对流散热分析
• 4.2.1 物理模型及数学模型
• 4.2.2 计算结果及结果分析
• 4.2.3 单直管及多管大空间自然对流散热分析
• 4.3 本章小节
• 致谢
• 结论及展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果