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超临界压力下庚烷的湍流换热数值研究

作　者: 华益新
导　师: 孟华
学　校: 浙江大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 超临界压力庚烷主动再生冷却对流传热数值模拟
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 27次
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内容摘要

本文针对与火箭推进系统和高超声速飞行器相关的超临界传热和发动机主动再生冷却现象,采用简化的物理模型,应用修正的对应状态方法及基本的热力学关系式和SRK状态方程计算了超临界压力下流体的传输物性和热力学性质,并将这些具有普适性的物性计算方法和CFD数值模型相结合,在准确考虑热力学性质和传输物性变化的情况下,系统地研究了一种典型的碳氢燃料——正庚烷在超临界压力下的湍流传热现象,详细的分析了在超临界压力下不同入口压力、入口速度、入口温度以及壁面热流密度等对流动和传热的影响,并且对其中在临界区域附近出现的湍流传热的恶化和波动现象做了进一步的研究。本文通过计算格拉晓夫数与雷诺数平方的比值关系,得出重力等浮升力对本文工况下对流换热的影响很小,在计算过程中是完全可以忽略的结论。本文还研究了对流换热Nusselt数的变化规律,并将数值模拟计算结果与多个已有的经验表达式进行了比对,找到了适用于本文工况下的Nusselt数经验公式。研究发现Gnielinski等经典经验公式只在一个很小的区间内对超临界压力下的对流换热的情况适用,而Bae & Kim修正公式不仅对于超临界压力下的CO2、水和HCFC-22适用,还对本文工况下速度高于10 m/s的情况具有较好的适用性。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-7
图目录  7-9
表目录  9-10
目录  10-12
第1章绪论  12-18
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 研究现状  13-16
    1.2.1 超临界流动和传热研究现状  13-15
    1.2.2 超临界热物性参数研究现状  15
    1.2.3 超临界Nusselt数经验公式研究现状  15-16
  1.3 研究意义和内容  16-18
    1.3.1 研究意义  16
    1.3.2 研究内容  16-18
第2章超临界流体的热物性研究  18-31
  2.1 超临界流体热物性求解存在的问题  18
  2.2 超临界流体的热物性研究探讨  18-27
    2.2.1 密度的求解方法  18-22
    2.2.2 粘性系数的求解方法  22-23
    2.2.3 热传导系数的求解方法  23-25
    2.2.4 定压比热的求解方法  25-27
  2.3 物性数值模拟结果对比  27-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章模型建立及程序验证  31-37
  3.1 物理模型  31
  3.2 数值模型  31-35
    3.2.1 湍流模型  31-32
    3.2.2 数值模型  32-33
    3.2.3 边界条件  33-35
    3.2.4 离散方式  35
    3.2.5 网格独立性  35
  3.3 数值模型的验证  35-36
  3.4 本章小结  36-37
第4章数值模拟与分析  37-66
  4.1 各参数计算方法  37-39
    4.1.1 平均温度的计算方法  37
    4.1.2 Nusselt数的计算方法  37-39
  4.2 入口压力对换热的影响  39-49
  4.3 入口速度对换热的影响  49-55
  4.4 入口温度对换热的影响  55-59
  4.5 壁面热流密度对换热的影响  59-62
  4.6 浮升力对换热的影响  62-65
  4.7 本章小结  65-66
第5章总结与展望  66-68
  5.1 总结  66-67
  5.2 展望  67-68
参考文献  68-73
附录  73-77
  附录一:甲烷BWR状态方程32项系数值  73-74
  附录二:碳氢化合物密度求解流程图  74-75
  附录三:在不同压力下正庚烷计算值与NIST数据的误差曲线  75-77
作者简历  77

超临界压力下庚烷的湍流换热数值研究

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