PDF《超临界压力下航空煤油 RP-3 在水平细圆管内 对流换热特性实...》

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0 引言 随着航空航天产业的发展,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.航空发动机性能的提升使其涡轮前温度逐步 提高,大大增加了涡轮叶片等高温部件的热负荷, 且在增压比升高的同时导致冷却空气品质降低,令 高温部件的热防护难度大幅增加.为解决这一问 题,有学者提出了 CCA(cooled?cooling?air)技术,即 在航空发动机上安装换热器,使用飞行器自带的碳 氢燃料作为冷源预先将用于冷却的空气进行冷却, 以提高冷却空气的冷却品质 [1] .此外,随着近年来 火箭推进技术和高超声速飞行器的发展,热防护需 求日益凸显,催生出主动再生冷却技术,即采用燃 料流经冷却通道的方式对热端部件进行冷却,同时,燃油被预热后进入燃烧室. 对航空燃料在换热管中的对流换热特性进行 较为全面的研究,为CCA 技术及主动再生冷却技 术的实现提供基础理论支持是十分必要的.航空煤 油的工作压力超过了其临界压力(2.39?MPa [2] ),导 致其对流换热特性与常规流体存在显著区别,属于 超临界流体流动与传热的研究范畴.对于超临界压 力下流体的管内换热特性研究,国内外均取得了一 定的成果.Jackson 等[3] 对超临界压力 CO2 在竖直 圆管中的湍流混合对流换热进行实验研究表明:超 临界压力下的对流换热存在正常换热、换热强化和 换热恶化

3 种情况,浮升力的存在会导致流动剪切 力,特别是壁面附近流动剪切力的变化,从而引起 湍动能的减弱或者增强,进而导致局部换热恶化或 者强化以及流动阻力特性的变化;

在实验数据分析 的基础上提出了针对竖直圆管的管内强制对流换 热受显著浮升力影响的判别标准.Brad 等[4-5] 对超 临界压力下 JP-7 和MCH 在竖直管内的对流换热特 性和流动不稳定性进行了实验研究,在较大的流 量、压力情况下观察到热声振荡现象,分析发现这 些振荡一般发生在对比压力低于 1.5 以及管壁温度高 于拟临界温度的情况下.清华大学有关学者 [6-8] 对 超临界压力碳氢燃料在细圆管内的对流换热进行 了实验和数值模拟研究,重点研究了中/低进口雷诺 数条件下的换热规律、传热恶化出现条件以及浮升 力对换热的影响.王彦红等 [9] 针对超临界压力航空 煤油 RP-3 在水平管内的对流换热特性进行了数值 模拟研究,重点分析了浮升力对超临界 RP-3 换热 规律的影响. 针对国产航空煤油 RP-3?超临界压力下流经竖 直细圆管内的对流换热特性研究已有一系列文献 报道 [11-18] ,但是对于浮升力对水平管内碳氢燃料对 流换热的影响,特别是基于实验手段对沿重力方向 换热管壁面温度分布的研究尚未见诸于报道.为深 入探究超临界压力下碳氢燃料在水平细圆管内的 对流换热规律,本文分析热流密度、进口雷诺数、质 量流速、系统压力等因素对换热的影响,着重分析 在水平管中浮升力对换热的影响机理,旨在为采用 碳氢燃料作冷却介质的各类飞行器主动热防护技 术方案提供理论支撑.

1 实验系统简介与数据分析方法 1.1????实验系统 本实验中,通过对实验换热管直接施加电压进 而产生焦耳热来模拟热流密度边界条件,实验系统 以及相关实验数据处理方法参见文献[18],实验管 长为 800?mm,内/外径分别为 1.86?mm 和2.2?mm, 管材为 1Cr18Ni9Ti,加热段长度为 550?mm,前后各 留长度为 125?mm 的绝热段(绝热段长度为管内径 的67.2 倍).在加热段管路的上下外表面各焊有