【摘 要】
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为解决超燃冲压发动机表面的热防护问题,包含主动再生冷却技术在内的众多冷却技术应运而生。其中再生冷却技术作为主动冷却技术的典型,其利用机载燃料作为冷却剂冷却高温壁面得到广泛的关注。由于燃料在冷却通道流动过程中伴随高温高压、高热流密度、大过热度的工况条件以及汽液物态转化的复杂过程,加之本身复杂的物理化学性质,诸多特点决定有必要对碳氢化合物在亚临界和超临界压力下的传热特性进行研究。本文采用实验手段首先以
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(No.51606030); 中国博士后科学基金项目(2016M591429); 中央高校基本科研业务费;
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为解决超燃冲压发动机表面的热防护问题,包含主动再生冷却技术在内的众多冷却技术应运而生。其中再生冷却技术作为主动冷却技术的典型,其利用机载燃料作为冷却剂冷却高温壁面得到广泛的关注。由于燃料在冷却通道流动过程中伴随高温高压、高热流密度、大过热度的工况条件以及汽液物态转化的复杂过程,加之本身复杂的物理化学性质,诸多特点决定有必要对碳氢化合物在亚临界和超临界压力下的传热特性进行研究。本文采用实验手段首先以环己烷、正戊烷及其不同配比混合物作为工质对其在亚临界压力下水平光滑圆管中的传热特性进行了实验研究。实验中依据主流温度、内壁温度、传热系数和Nu/NuDB为指标,将传热过程分为液相传热-两相传热-汽相传热三个阶段;传热强化过程中过冷沸腾占据主导作用,其对于临界热流密度(CHF)影响显著;对于混合物传热,物性变化作用大于传质阻力带来的影响。结合实验数据,将CHF实验结果与经典预测公式进行对比,在Katto-Ohno关联式基础上引入入口过冷度对CHF的影响,得到了适用性与精度更好的预测模型。其次,对不同工质在超临界压力下水平光滑圆管中的传热特性进行了实验研究。参考主流温度、内壁温度、传热系数和Nu/NuDB的划分指标,量化了正常传热-传热强化-传热弱化三个阶段的区间划分,其中系统压力、质量流量、加热入口温度、热流密度和组分变化对于传热特性影响显著,而浮升力和热加速效应在本文工况条件下对传热特性影响可忽略。传热强化过程中近壁面流体物性变化对于传热的影响占据主导作用,结合物性修正与传热阶段的划分提出适用于各阶段的超临界流体传热关联式,预测精度较好。本文将超临界压力下发生传热弱化时对应的热流密度定义为超临界压力下的极限热流密度(qc),对其影响规律进行了研究,发现压力越高、质量流量越大、加热入口温度越低、环己烷质量百分数越高,极限热流密度越高。基于实验数据,采用量纲分析方法得到qc的预测公式。
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