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摘 要

本文在Gambit中完成通道建模并划分网格，在ANSYS 15.0下的Fluent模块完成数值模拟计算。通过建立不同的冷却通道，分别是矩形、圆形和三角形三种形状不同的冷却截面，研究不同冷却通道中超临界压力碳氢燃料和超临界压力水的流动传热过程。在模拟流动传热过程中仅采用单一面加热的方式。分析了不同质量流量、热力密度和热流比对矩形通道的影响。模拟结果表明，不同热流比对传热恶化具有重要影响，当质量流量保持0.001kg/s不变时，热流密度越高（热流比变大），发生传热恶化的现象越明显，热流密度越低（热流比变小），则越不明显。在此基础上通过改变流道的形状、壁面厚度和肋厚，寻找缓解或避免传热恶化现象发生的方法。

关键词：冷却通道 传热特性 数值模拟 速度分布 温度场分布

Study on heat transfer characteristics of supercritical fluid flow in irregular channels

Abstract

In this paper, channel modeling and grid division are completed in Gambit, and numerical simulation calculation is completed in Fluent module under ANSYS 15.0.By establishing different cooling channels, which are rectangular, circular and triangular in shape, the heat transfer process of hydrocarbon fuel and supercritical water under supercritical pressure in different cooling channels is studied.In the process of simulating flow heat transfer, only single surface heating is used.Analysis of the different mass flow rate, heat density and heat flux ratio on the rectangular channel.According to the research and analysis, different heat flow ratios have important influence on heat transfer deterioration When mass flow rate remains unchanged at 0.001kg/s, The higher the heat flux density (heat), heat transfer deterioration phenomenon more obvious, the lower the heat flux density (heat flux) than smaller, the more obvious.By changing the shape of flow passage, wall thickness and rib thickness, the methods to alleviate or avoid heat transfer deterioration were found.

Keywords: Cooling channel;Heat transfer characteristics;

Numerical simulation;Velocity distribution;Temperature field distribution

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外发展及研究现状 1

1.3数值模拟方法 4

第二章 数值计算的理论基础与数学模型 1

2.1数值计算 1

2.1.1数值计算的优点 1

2.1.3 数值模拟步骤 1

2.2 湍流及其数学描述 1

2.2.1湍流流动的概述 1

2.3控制方程的离散化 3

第三章 超临界压力碳氢燃料强化换热特性研究 1

3.1物理模型的建立 1

3.2划分网格并建立边界条件 2

3.3计算结果分析 2

第四章 超临界压力水强化换热特性研究 15

4.1 矩形截面冷却通道超临界水传热特性数值仿真结果分析 15

4.2 圆形截面冷却通道超临界水传热特性数值仿真结果分析 19

4.3 三角形截面冷却通道超临界水传热特性数值仿真结果分析 22

第五章 总结 1

参考文献 2

致谢 5

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

随着航空航天技术的发展，未来高性能航空航天发动机的研究成为当下相关技术研究的热点及难点^[1]。通常情况下许多发动机的主动冷却采用空气为冷却介质，但空气的比热容较小，无法对超燃冲压发动机燃烧室内壁进行有效冷却，而采用液体工质为冷却剂的冷却方式虽然能达到冷却效果，但液体冷却剂及附带设备增加了飞行器的质量。碳氢燃料是一种性能比较高，应用于多种发动机等动力装置的液体燃料，具有很多优点。如比体积小、能量密度高、安全性高、易于存放且经济成本低等，广泛应用于航空事业，而且具有很宽广的发展空间。如为了减小飞行器过大的体积和质量，可以选择使用其自身携带的碳氢燃料作为冷却剂。

1.2国内外发展及研究现状

1.2.1超临界压力下流体传热的研究现状

肖金花等对水在波纹管内的流动与换热特性进行了数值模拟，结果表明，波纹管能显著提高换热能力，其强化倍数达到相同条件下光滑管的1.06-3.00倍^[2]。Yang等研究了油-水混合物在螺旋波纹管内的换热和阻力特性，结果表明，相对于光滑管道，螺旋波纹管换热系数增加了30％-120％，同时阻力系数增加了60％-160％^[3]。Laohalertdecha和 Wongwises对 R-134a在螺旋波纹管内的流动换热和压降特性进行了实验研究^[4]，结论展示了当壁面的热流量和质量流量都增加时，平均换热系数和压降也逐渐增大；与光滑管道相比，换热系数和压降分别增大不同的百分点。

Sallevelt和Withag等采用一维活塞流模型对超临界压力下水在垂直圆管内的湍流流动传热进行数值模拟，以便迅速预测流体平均温度，通过对无量纲化的控制方程估算分析，在计算过程中忽略了由压力梯度引起的难性效应、内部热传导和给值变化^[5]。随后，Sallevelt和Withag等在进一步的研究中采用低Reynolds数湍流模型对超临界压力下水在垂直圆管内的流动传热进行二维数值模拟，并进行了相对应的实验研究来验证二维数值模拟的准确性^[6]。从得到的数据中分析可知，在流量小的情况时实验中所获得的数据与数值计算所得的数据基本一致，但是在热流密度变大的情况下，作者通过此模型模拟出来的结果与实验结果相差仍然不小。

Yoon对超临界压力下CO₂在圆形管道内的对流换热情况进行了实验研究^[7]。Liao和Zhao也进行了相应的研究，同时对相同壁面温度条件下水平管道内的传热特性进行了模拟研究,从结果中可以明显看出即便雷诺数高达10⁵，还是存在很显著的浮升效应^[8]。紧接着，Liao和Zhao又针对水平圆管内的上升流动、竖直圆管内的上升流动和竖直圆管内的下降三种不同流动方式进行了换热情况探究，发现竖直圆管内的下降流动有明显变化，主要集中在其虚拟临界点的周围区域，明显看出换热系数相较于其他两种流动方式要小得多一些，此结论与之前已经发表的实验结果基本一致^[9]。

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