超燃冲压发动机主动冷却通道内的超临界流动与传热过程数值模拟

发布时间：2017-11-18 22:20

  本文关键词：超燃冲压发动机主动冷却通道内的超临界流动与传热过程数值模拟

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【摘要】：本文建立了能够高效重构流体热力学性质的表格查询方法,并与商业计算流体力学软件FLUENT结合,发展了高效的流动与传热耦合计算软件。对包含轻微裂解的超临界压力碳氢燃料在圆管以及超燃冲压发动机主动冷却通道中的流动与传热过程开展了数值模拟研究。建立了三维表格查询方法用于改善总包反应中混合物热力学性质的计算效率。三维表格查询方法得到了验证并且比SUPERTRAPP数据库快两个数量级。模拟了包含轻微裂解反应的正十烷在圆管中的传热,发现可以忽略压力对热力学性质的作用。建立了分别使用块结构自适应网格和三角形自适应网格构建热力学性质查询表格的方法,显著节省了存储空间。建立了分别适用于笛卡尔网格和三角形网格的重叠均匀索引网格方法,进一步提高了查询效率。块结构自适应网格和三角形自适应网格表格查询方法比已有的先构建笛卡尔自适应网格、再划分三角形单元的表格查询方法更加简单和高效。使用块结构自适应网格构建查询表格比使用均匀网格节省20%-80%的存储空间,而这一数值在使用三角形自适应网格时增加到68%-97%。重叠均匀索引网格的搜索速度是叉树数据结构的两倍,但只需要不到37%的额外存储空间。在自适应网格上重构热力学性质与理想气体状态方程的速度相当,比传统的复杂的状态方程方法快两个数量级。对超临界压力正十烷在加热圆管中的相态变化、传热相似性以及加速度对传热恶化的影响开展了二维数值模拟,发现当流体的平均温度达到其临界点之前,在通道的径向存在很大的热力学性质梯度。超临界压力流体的流动与传热存在定性相似,但针对特定的流体仍然需要进一步研究。观察到两类传热恶化现象,由于热边界层发展而出现的第一类传热恶化出现在管道加热的初始段,而可以由M形速度型识别的第二类传热恶化源自湍流扩散的减小。获得了定义为热流密度与质量通量比值的传热恶化起始参数随加速度的变化规律,可以用于超燃冲压发动机主动冷却系统的设计。正加速度能缓解或推迟传热恶化,两类传热恶化起始参数随加速度的增加而线性增大。负加速度能加剧或提前传热恶化,第二类传热恶化起始参数在加速度小于某个值后无法识别。对超临界压力下正十烷在非对称加热的矩形直通道以及弯曲通道内的耦合传热开展了三维并行数值模拟。研究了传热恶化发生时的详细流场以及两类Prandtl二次流的作用,比较了壁面导热系数、通道高宽比以及轻微裂解对传热的影响。发现非对称加热的矩形冷却通道的传热恶化可以由变形的M形速度型识别。由截面上压力梯度引起的第一类Prandtl二次流具有最大轴向速度的1.0%的量级。由Reynolds应力引起的第二类Prandtl二次流的量级与第一类的相比小一个数量级。高的壁面导热系数使径向和流向的热流密度分布更加均匀。高温流体区域在凹面和凸面靠近竖直对称面的位置出现并发展。在相同的水力直径,入口Reynolds数以及热流密度条件下,高宽比较大的冷却通道得到的壁面温度较小。轻微裂解反应降低了壁温,但它主要出现在非常靠近壁面的区域,而对主流几乎没有影响。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V235.21

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本文编号：1201372