航空煤油超临界压力流固热耦合数值模拟.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123073
航空煤油超临界压力流/固/热耦合数值
模拟
王雷雷,徐可可,孟华
(浙江大学航空航天学院,杭州 310027)
(Tel: [phone], Email: ******@zju.)
摘要:航空煤油超临界压力传热是超燃冲压发动机主动再生冷却技术的关键。本文针对中国3号航空煤油在超燃冲压发动机冷却通道内的超临界压力流动和传热现象,开展了流/固/热耦合的三维数值模拟研究,在准确考虑热物性变化的基础上,探讨了壁面热流密度及流体的入口速度对超临界压力传热过程的影响。结果表明,由于航空煤油的对流换热效果较差,会造成冷却通道壁面温度在加热入口段快速升高;固体热传导现象在航空煤油超临界压力传热中变得非常重要,冷却通道侧壁面和下壁面固体温升现象突出;不同对流换热经验公式在航空煤油超临界压力传热中的适用性和应用范围也得到了初步的研究。
关键词:航空煤油;主动再生冷却;流固耦合;数值模拟
0 前言
近年来,高超声速飞行技术逐渐成为航空航天领域的重要研究方向,而为了实现在大气层中Ma>6的高效飞行,超燃冲压发动机则成为首选的推进技术。超燃冲压发动机以超声速燃烧为核心技术,其来流空气经进气道后减速增压以低超声速进入燃烧室,并实现与喷入燃料的混合、燃烧。随着飞行马赫数的增加,来流空气减速后其温度迅速上升,以Ma=8为例,减速后空气温度可高达2580K,而燃烧温度更可达到3100K。在如此严峻的热环境中,如果燃烧室不能得到有效冷却,超燃冲压发动机将无法长时间正常工作。另一方面,由于气动加热的原因,飞行器周围空气温度很高,因而利用空气来冷却燃烧室也不可行。因此,燃烧室的主动冷却只能依靠燃油本身的吸热能力。在超燃冲压发动机主动再生冷却系统中,碳氢燃料作为冷却剂在喷入燃烧室之前先通过燃烧室壁面内的冷却通道吸收发动机释放的热量。
航空煤油是目前使用的一种主要碳氢燃料,,。由于喷油的需要,冷却通道内的压力往往超出航空煤油的临界压力。因而航空煤油在主动冷却过程中将从压缩液态变化到超临界态,形成超临界压力下的流动和传热现象。在超临界压力下,流体的物性,如粘度、密度、导热系数、定压比热等,受温度和压力变化的影响很大,尤其是在虚拟临界点附近,物性的变化极其剧烈,从而导致非常复杂的流动和传热现象。基金项目:浙江省杰出青年科学基金资助项目(R1100300)
国内外对超临界压力下流体的流动和传热问题已开展了大量的实验和数值模拟研究,但已有研究工作主要针对水和二氧化碳等简单物质[1][2][3][4]。关于碳氢燃料超临界压力传热方面的研究也主要针对单一纯物质,如甲烷和正庚烷等[5][6][7]。由于航空煤油的组成非常复杂,一般包含链烃,环烷烃及芳香族化合物在内的上千种组分,其热物理性质的计算具有相当的难度,因而导致超临界压力传热方面的相关研究目前主要集中在实验工作方面[8],数值模拟研究工作还比较少[9][10]。已有的相关数值模拟工作也以基础研究为主,主要考察了航空煤油在圆管中的流动和传热情况,与发动机主动冷却系统的实际应用还相差较远。为了掌握航空煤油在超燃冲压发动机冷却通道内的超临界压力传热现象,特别是流/固/热耦合作用对主动冷却系统的影响,本文针对