论文总字数：24360字

摘 要

再生冷却技术是针对目前超燃冲压发动机运行时壁温过高提出的解决方法，利用吸热型碳氢燃料对其进行冷却降温。虽然国内外也已有许多关于碳氢燃料在冷却管内传热特性与热裂解的研究，但就目前航空技术的高速发展，超高速飞行器的加速度已不仅仅局限于1倍重力加速度，碳氢燃料对管道的冷却可能在2倍，4倍，甚至到6倍，8倍的重力加速度的环境下。所以本文除研究碳氢燃料在矩形通道内的传热特性之外，主要研究在不同加速度下矩形管道与圆形管道内的传热特性，分析加速效应对其传热的影响。

通过建模软件Gambit建立等流通面积的圆形与矩形管道模型，进行网格划分后，导入流体计算软件Fluent来模拟计算流体冷却管道的过程，等待结果收敛后，运用数据后处理软件Tecplot对结果进行分析，最后对比总结两种管道与在不同加速度下对传热特性的影响。

关键词：再生冷却技术、碳氢燃料、加速度、传热特性

Abstract

Regenerative cooling technology is proposed to solve the problem of excessive wall temperature of scramjet, which is cooled by endothermic hydrocarbon fuel. Although there are many studies on heat transfer and pyrolysis about hydrocarbon fuel in cooling tubes in China and abroad, with the rapid development of aviation technology, the acceleration of super-high-speed aircraft is not limited to the acceleration of gravity at one time. The cooling of pipeline by hydrocarbon fuel may be twice, four times, or even six times, eight times of the acceleration of gravity. So in my paper, besides research on heat transfer in the rectangular tube, the heat transfer characteristics in the rectangular and circular channels under different acceleration are mainly studied, and the influence of acceleration effect on the heat transfer is analyzed.

The circular and rectangular pipes with equal flow area are modeled by gambit. After meshing, the fluid calculation software Fluent is imported to simulate the process of calculating the fluid cooling pipes. After waiting for the outcomes to converge, we can use the data processing software Tecplot to analyze them. Finally, we need compare and summarize the effects of different accelerations in such two pipes on heat transfer.

Key Words:Regenerative cooling technology, Hydrocarbon fuel, acceleration, Heat transfer characteristics

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外发展和研究现状 1

1.2.1国外发展及研究现状 1

1.2.2国内发展及研究现状 2

1.3管道内的传热恶化 2

1.4小结 3

第二章 数值计算的理论基础与计算方法 5

2.1数值计算 5

2.1.1数值计算的基本原理 5

2.1.2数值计算的优点 5

2.2 湍流及其数学描述 5

2.2.1湍流流动的概述 5

2.2.2 湍流的特征 5

2.2.3 湍流的基本方程 6

2.3 湍流模型的分类 6

2.3.1 Spalart-Allmaras模型 6

2.3.2 模型 6

2.4 数值模拟步骤 7

2.5边界条件 7

第三章 矩形冷却通道模型的建立与分析 9

3.1矩形冷却直通道模型 9

3.2边界条件与数值方法验证 10

3.2.1边界条件及物性参数 10

3.2.2数值方法验证 10

3.3不同热流比下矩形通道内传热特性及分析 13

3.3.1热流比变化（热流密度改变，质量流量不变） 13

3.3.2热流比变化（热流密度不变，质量流量变化） 15

3.3.3热流比不变 17

第四章 加速度对异形通道的传热影响研究 21

4.1加速度对矩形通道的传热影响 21

4.1.1正加速度对矩形通道的传热影响 21

4.1.2负加速度对矩形通道的传热影响 29

4.2加速度对圆形通道的传热影响 37

4.2.1建立圆形冷却通道模型 37

4.2.2正加速度对圆形通道的传热影响 38

4.3矩形通道与圆形通道的对比分析 45

4.4加速度对内螺纹通道的传热影响 47

4.4.1模型介绍 47

4.4.2正加速度对内螺纹通道的传热影响 48

第五章 总 结 51

参考文献 53

第一章 绪 论

1.1研究背景与意义

近年来由于航天技术的发展和国防技术的需要，高超声速技术已受到航天领域的重视，因为高超声速飞行器拥有超高速、航距远、灵活性高、机动性强等特点，目前全球军事强国把它作为策略开展目标^[1]。

虽然高超声速飞行器具备良好的国防军事应用前景，但它的研究仍然有许多难题，而最大的难题之一就是超燃冲压发动机热防护技术。因为在高超飞行器的高速飞行下，发动机内部分壁面温度可高达3000摄氏度，在此高温下不锈钢等材料足以融化^[2]，所以超燃冲压发动机在追求大推力的同时，还需解决其热负荷过大的问题。通过吸热型碳氢燃料在超燃冲压发动机的燃烧室内循环来主动冷却高温壁面是处理该问题的有效方法之一^[3]。再生冷却技术以吸热型碳氢燃料作为冷却剂，在冷却通道内经对流换热和化学反应使过热壁面降温^[4-6]。研究再生冷却异形通道内的传热强化，传热恶化特征及规律对发展高效再生冷却技术具有重价值^[7]。

1.2国内外发展和研究现状

1.2.1国外发展及研究现状

针对超燃冲压发动机的研究，美国从上世纪60年代开始研究碳氢燃料传热特性。初期开展的研究有碳氢燃料热沉的估值，结焦率测算还有燃料的热稳定性^[8]。到80年代后，进一步对超临界压力碳氢燃料的流动和传热传质方法进行研究，并且手段由实验研究更新到数值模拟等领域^[9]。在烃类燃料的实验研究过程中，不同燃料的裂解特性、裂解原理以及裂解反应对不同燃料流场的影响是国内外学者重点研究的课题，实验过程主要在单管加热试验台上进行。

Wickham等^[10]与美国麻省理工的Alan等^[11]针对JP-7裂解做研究。Dahm等^[12]研究了正十二烷的裂解过程。Ward等^[13]针对正十烷中度热裂解条件建立二维流动换热模型进一步研究。

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