超临界碳氢燃料流动及凹陷强化传热数值研究
再生冷却以超临界流体为工质，对于高超声速推进以及液体火箭热防护极为关键。如何提高再生冷却性能从而保证飞行安全成为关注的焦点。本文通过数值模拟方法，主要以小尺度矩形通道为载体，将一种新型强化传热结构——凹陷涡发生器用于再生冷却，考察其在超临界流体流动传热方面应用的可能性；同时发展了针对超临界流动传热的大涡数值模拟计算模型，对模型进行了详细的评估。 首先发展了基于超燃冲压发动机单根冷却通道的三维流/固/热耦合 RANS模型，超临界碳氢燃料物性算法通过UDF嵌入。将凹陷加入再生冷却通道中，发现凹陷通道的传热性能为光滑通道的1.64倍，压降仅为1.33倍；凹陷同时也大大缓解了单面加热的再生冷却通道中的热分层现象，有利于燃料热沉的充分利用；超临界传热恶化并没有被凹陷消除，但被凹陷大大减弱；光滑通道中跨临界时壁面附近流体加速，导致“M型”速度分布，造成湍流切应力的减小，发生传热恶化；凹陷通道中壁面附近速度梯度沿着管道方向不断增大，而密度的快速降低直接导致了湍流切应力的减小，从而湍流生成减弱，出现传热恶化。 然后，利用数值结果分析了球形凹陷深径比、通道高度和凹陷形状对超临界流体在凹陷通道内传热性能的影响。结果表明深径比为0.2的球形凹陷具有最佳的综合换热性能；凹陷通道高度越低，凹陷表面的换热性能越好；泪滴形凹陷具有最好的强化传热性能，前部凸起凹陷换热性能其次，中部凸起凹陷传热性能较差。这部分工作为再生冷却通道中凹陷强化传热结构的设计奠定了基础。 最后，建立了超临界流体流动传热的大涡数值模拟计算模型，针对浮升力影响下的超临界二氧化碳在竖直管内的流动传热进行了研究。与DNS结果的详细对比表明大涡模拟方法在处理过滤后的能量方程中的亚格子焓通量项时，采用了恒定的湍流普朗特数是造成与DNS结果偏差较大的主要原因。将大涡模拟方法用于凹陷通道内超临界碳氢燃料的流动传热计算中，发现凹陷内非稳态涡结构及其发展过程：剪切层内的横向涡向下游脱落，形成马蹄涡，最终成为纵向涡；并对瞬态求解结果进行了时均统计，加深了对凹陷内流动结构及其强化传热机理的认识。
超临界流体;液体火箭;碳氢燃料;强化传热;凹陷涡发生器;再生冷却
哈尔滨工业大学
硕士
动力机械及工程
秦江
2017
中文
V434
88
2018-10-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）