碳氢燃料超临界压力流/固/热耦合数值模拟研究

摘要

本文以高超声速飞行器和液体火箭发动机主动再生冷却系统为研究对象，在准确考虑热物性和传输物性变化的基础上，基于商用CFD软件Fluent建立了一套能够准确模拟碳氢燃料超临界压力流/固/热耦合流动和换热现象的数值计算模块。在此基础上分别对低温甲烷和航空煤油RP-3的流/固/热耦合换热过程进行了详细的数值模拟研究，探讨了固体材料导热系数和冷却通道几何形状对超临界压力低温甲烷流/固/热耦合换热的影响，分析了壁面热流密度和入口速度对超临界压力航空煤油流/固/热耦合换热的影响。针对低温甲烷的计算结果表明固体材料导热系数会大大影响流/固/热耦合换热过程，提高固体材料导热系数可以显著改善固体区域内热流密度的分布情况，并且流体的对流换热过程由于超临界压力下流体热物性的变化而得到了加强;在保持甲烷入口质量流量不变的条件下，改变冷却通道几何形状（高宽比R值）会极大地影响冷却通道的传热效果和压力损失，本文引入热性能参数来综合考量这两个影响因素。针对航空煤油的计算结果表明由于其导热系数较低，低速流动时对流换热效果较差，冷却通道壁面温度在入口段快速升高;由于对流换热效果不佳，固体热传导现象突出，冷却通道侧壁面和下壁面固体温升现象非常明显。修正的Jackson&Hall经验传热公式适用于本文中的不同工况，数值计算结果与经验公式预测值的最大相对误差小于20％;常用的变物性Dittus&Boelter经验传热公式预测值与航空煤油的计算值也非常吻合，可适用于本文中的不同工况。

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 热防护技术

1．2．1 被动热防护

1．2．2 半被动热防护

1．2．3 主动热防护

1．3 超临界压力流动与传热

1．3．1 超临界流体

1．3．2 超临界压力流体传热

1．4 燃料特性

1．5 本文工作

第2章 数值计算方法

2．1 物理模型

2．2 计算域控制方程

2．2．1 流体区域

2．2．2 固体区域

2．3 湍流模型

2．3．1 标准κ-ε两方程模型

2．3．2 一方程wolfstein湍流模型

2．4 边界条件

2．5 碳氢燃料物性计算方法及相关验证

2．5．1 低温甲烷

2．5．2 航空煤油

2．6 固体材料物性

2．7 本章小结

第3章 低温甲烷三维流／固／热耦合数值模拟研究

3．1 引言

3．2 网格独立性分析

3．3 参数说明

3．3．1 流体平均温度

3．3．2 对流换热Nusselt数

3．4 固体材料导热系数的影响

3．5 冷却通道几何形状的影响

3．6 本章小结

第4章 航空煤油三维流／固／热耦合数值模拟研究

4．1 引言

4．2 网格独立性分析

4．3 参数说明

4．4 壁面热流密度的影响

4．5 入口速度的影响

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 研究展望

参考文献

作者简历