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摘 要

航天发动机冷却系统作为发动机的一个关键系统，其必须具备耐高温，耐高压的特性，同时还要有良好的换热性能，而再生冷却就被认为是一种高效的冷却方式。再生冷却通道的换热性能通常是由多个因素共同决定的，其中最关键的因素通常有通道的形状，通道材料的导热性能，通道的壁面厚度等。

本课题就针对这些影响因素展开数值模拟研究，通过在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。在已建立的矩形冷却通道、三角形冷却通道、不同壁厚下的冷却通道中模拟超临界碳氢燃料的流动传热过程。为了简化冷却通道在固体导热，对流换热中的热量传递过程，在模拟流动传热过程中仅采用单一面加热的方式，以简化传热过程，并能直观地对结果进行分析。通过提供均匀的热气流的方式对冷却通道壁面进行加热，在改变热流比参数的前提下对计算结果进行分析对比，找出该参数下发生传热恶化的临界条件。分别在传热恶化条件下和非传热恶化条件下对矩形通道和三角形通道内的传热特性进行分析对比，得出形状参数对冷却通道换热性能的影响；在不同壁厚条件下对矩形冷却通道内的传热特性进行分析，得出通道壁厚对换热性能的影响。

关键词：冷却通道、传热特性、数值模拟、形状参数、传热恶化、非传热恶化、速度分布、温度场分布

Study on heat transfer characteristics of supercritical pressure hydrocarbon fuel flow in a triangular channel

Abstract

As a key system of the engine, the cooling system of the aerospace engine must have the characteristics of high temperature resistance, high pressure resistance and good heat transfer performance, and regenerative cooling is considered as an efficient cooling method. The heat transfer performance of the regenerative cooling channel is usually determined by several factors, among which the most critical factors are the shape of the channel, the thermal conductivity of the channel material, and the wall thickness of the channel.

In this study, numerical simulation was carried out to study these influencing factors. Channel modeling and grid generation were completed in Gambit, and numerical simulation was completed in Fluent module under ANSYS 15.0. The flow and heat transfer process of supercritical hydrocarbon fuel is simulated in the established rectangular cooling channel, triangular cooling channel and cooling channel with different wall thickness. In order to simplify the heat transfer process of the cooling channel in the solid heat conduction and convection heat transfer, only a single surface heating method is adopted in the simulation of the flow heat transfer process, so as to intuitively analyze the calculation results. By means of providing uniform hot gas flow, the wall surface of the cooling passage is heated, and the calculation results are carried out on the premise of changing the heat flow ratio to find out the critical conditions for heat transfer deterioration.The heat transfer characteristics in rectangular cooling channels were analyzed under different wall thickness conditions, and the influence of wall thickness on the heat transfer performance was obtained.

Keywords: cooling passage, heat transfer characteristics, numerical simulation,shape parameters, heat transfer deterioration, non-heat transfer deterioration, velocity distribution, temperature field distributio

目录

第一章 绪 论 1

1.1选题的背景及意义 1

1.2关于超临界碳氢燃料传热特性的研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内发展及研究现状 1

1.2.3超临界碳氢燃料传热过程的模拟研究进展 2

1.3冷却通道的设计 3

1.4论文的主要研究内容 4

第二章 数值计算的理论基础与数学模型 5

2.1引言 5

2.2数值计算方法 5

2.2.1 数值计算方法步骤 5

2.3 湍流及其数学描述 6

2.3.1湍流的定义及特征 6

2.3.2控制方程 6

2.3.3湍流模型的选择 6

2.4 控制方程的离散化 7

2.5边界条件 7

第三章 碳氢燃料在矩形冷却通道的流动传热分析 8

3.1引言 8

3.2计算模型的建立 8

3.2.1 矩形直通道的网格划分 8

3.3设置边界条件 9

3.4数值计算方法验证 9

3.4.1湍流模型分析 9

3.4.2矩形截面流动传热分析 12

第四章 超临界碳氢燃料在三角形通道内的传热数值模拟 17

4.1计算模型 17

4.2同等流通面积的三角形通道 18

4.2.1 计算分析 18

4.2.2等腰三角形 18

4.2.3等边三角形 19

4.3同等周长的三角形通道 21

4.3.1计算模型 21

4.3.2等腰三角形 21

4.3.3等边三角形 23

4.4 三角形通道与矩形通道内的传热对比分析 24

第五章 针对壁厚对传热特性影响的研究 29

5.1物理模型 29

5.2 计算分析 29

5.2.1传热恶化条件下的径向截面传热分析 30

5.2.2 非传热恶化条件下的径向截面传热分析 31

第六章 总结 34

参考文献： 35

第一章 绪 论

1.1选题的背景及意义

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