超临界压力下低温甲烷的三维流固耦合传热研究

【摘要】：本文针对航空航天飞行器及其发动机主动再生冷却的需要,基于商用CFD软件FLUENT,通过用户编程进行二次开发,编制了一套能准确计算流体物性并且能考虑流/固耦合传热问题的数值计算软件。对低温甲烷在矩形冷却通道中超临界压力下的流/固耦合换热过程进行了三维数值模拟研究,仔细分析了热流密度、工作压力、入口速度及管道几何形状对低温甲烷在超临界压力下的流动和传热的影响,得到了流体速度、壁面温度、壁面热流密度、流体物性等参数的详细变化情况以及Nusselt数的变化规律。研究结果表明从冷却通道上壁面施加的热流会通过热传导传入侧壁面甚至下壁面,并且施加的热流密度越大,则经侧壁面传导的热流所占比例越高；随着入口压力增加,Nusselt数增大,说明提高压力可以起到强化超临界压力下低温甲烷的对流传热效果；在相同入口质量流量的条件下,减小冷却管道高宽比R值可以有效改善对流传热效果,但同时会造成流动压力损失的增大,因此冷却通道高宽比的选择需综合考虑传热与压力损失的影响,可以引入热性能参数作为参考；通过Nusselt数计算值与经验公式预测值的对比分析,发现修正的JacksonHall换热关系式能较好的适用于本文的各种工况,但在高热流密度和低速条件下其准确性会有所降低,数值计算值与预测值最大误差可能会达到20%以上。 【关键词】：超临界压力传热 甲烷 主动再生冷却 流固耦合 三维数值模拟
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：V434.14
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 图目录7-9
• 表目录9-10
• 目录10-12
• 第1章 绪论12-19
• 1.1 研究背景12-14
• 1.1.1 超临界流体和超临界传热的特点12-14
• 1.1.2 超临界压力流体传热的应用14
• 1.2 研究现状14-18
• 1.2.1 水和二氧化碳的超临界压力传热研究14-17
• 1.2.2 碳氢燃料超临界压力的传热研究17-18
• 1.3 本文的研究工作18-19
• 第2章 数值方法19-33
• 2.1 物理模型19-20
• 2.2 控制方程20-21
• 2.2.1 流体区域20
• 2.2.2 固体区域20-21
• 2.3 湍流模型21-24
• 2.3.1 标准k-ε两方程模型21-23
• 2.3.2 近壁面处理23-24
• 2.4 物性计算方法及验证24-29
• 2.4.1 密度24-25
• 2.4.2 粘性系数25-26
• 2.4.3 导热系数26
• 2.4.4 定压比热26-27
• 2.4.5 固体部分的物性27
• 2.4.6 物性计算结果验证27-29
• 2.5 边界条件29-31
• 2.6 网格独立性分析31
• 2.7 数值模型的验证31-32
• 2.8 本章小结32-33
• 第3章 热流密度、入口压力等对超临界压力湍流传热的影响33-50
• 3.1 热流密度的影响33-44
• 3.2 入口压力的影响44-48
• 3.3 入口速度的影响48-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第4章 几何形状对超临界压力湍流传热的影响50-62
• 4.1 几何形状的影响50-61
• 4.2 本章小结61-62
• 第5章 总结与展望62-64
• 5.1 全文总结62-63
• 5.2 展望63-64
• 参考文献64-69
• 附录一：甲烷的BWR状态方程32项系数值69-70
• 附录二：甲烷的粘性系数方程中的a_i、b_i、c_i系数值70-71
• 附录三：甲烷的导热系数方程中的a_i、b_i、c_i系数值71-72
• 作者简历72

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