發(fā)布時(shí)間：2017-11-18 22:20

  本文關(guān)鍵詞：超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)冷卻通道內(nèi)的超臨界流動(dòng)與傳熱過程數(shù)值模擬

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【摘要】：本文建立了能夠高效重構(gòu)流體熱力學(xué)性質(zhì)的表格查詢方法,并與商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT結(jié)合,發(fā)展了高效的流動(dòng)與傳熱耦合計(jì)算軟件。對包含輕微裂解的超臨界壓力碳?xì)淙剂显趫A管以及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)冷卻通道中的流動(dòng)與傳熱過程開展了數(shù)值模擬研究。建立了三維表格查詢方法用于改善總包反應(yīng)中混合物熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算效率。三維表格查詢方法得到了驗(yàn)證并且比SUPERTRAPP數(shù)據(jù)庫快兩個(gè)數(shù)量級。模擬了包含輕微裂解反應(yīng)的正十烷在圓管中的傳熱,發(fā)現(xiàn)可以忽略壓力對熱力學(xué)性質(zhì)的作用。建立了分別使用塊結(jié)構(gòu)自適應(yīng)網(wǎng)格和三角形自適應(yīng)網(wǎng)格構(gòu)建熱力學(xué)性質(zhì)查詢表格的方法,顯著節(jié)省了存儲(chǔ)空間。建立了分別適用于笛卡爾網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格的重疊均勻索引網(wǎng)格方法,進(jìn)一步提高了查詢效率。塊結(jié)構(gòu)自適應(yīng)網(wǎng)格和三角形自適應(yīng)網(wǎng)格表格查詢方法比已有的先構(gòu)建笛卡爾自適應(yīng)網(wǎng)格、再劃分三角形單元的表格查詢方法更加簡單和高效。使用塊結(jié)構(gòu)自適應(yīng)網(wǎng)格構(gòu)建查詢表格比使用均勻網(wǎng)格節(jié)省20%-80%的存儲(chǔ)空間,而這一數(shù)值在使用三角形自適應(yīng)網(wǎng)格時(shí)增加到68%-97%。重疊均勻索引網(wǎng)格的搜索速度是叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的兩倍,但只需要不到37%的額外存儲(chǔ)空間。在自適應(yīng)網(wǎng)格上重構(gòu)熱力學(xué)性質(zhì)與理想氣體狀態(tài)方程的速度相當(dāng),比傳統(tǒng)的復(fù)雜的狀態(tài)方程方法快兩個(gè)數(shù)量級。對超臨界壓力正十烷在加熱圓管中的相態(tài)變化、傳熱相似性以及加速度對傳熱惡化的影響開展了二維數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體的平均溫度達(dá)到其臨界點(diǎn)之前,在通道的徑向存在很大的熱力學(xué)性質(zhì)梯度。超臨界壓力流體的流動(dòng)與傳熱存在定性相似,但針對特定的流體仍然需要進(jìn)一步研究。觀察到兩類傳熱惡化現(xiàn)象,由于熱邊界層發(fā)展而出現(xiàn)的第一類傳熱惡化出現(xiàn)在管道加熱的初始段,而可以由M形速度型識別的第二類傳熱惡化源自湍流擴(kuò)散的減小。獲得了定義為熱流密度與質(zhì)量通量比值的傳熱惡化起始參數(shù)隨加速度的變化規(guī)律,可以用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。正加速度能緩解或推遲傳熱惡化,兩類傳熱惡化起始參數(shù)隨加速度的增加而線性增大。負(fù)加速度能加劇或提前傳熱惡化,第二類傳熱惡化起始參數(shù)在加速度小于某個(gè)值后無法識別。對超臨界壓力下正十烷在非對稱加熱的矩形直通道以及彎曲通道內(nèi)的耦合傳熱開展了三維并行數(shù)值模擬。研究了傳熱惡化發(fā)生時(shí)的詳細(xì)流場以及兩類Prandtl二次流的作用,比較了壁面導(dǎo)熱系數(shù)、通道高寬比以及輕微裂解對傳熱的影響。發(fā)現(xiàn)非對稱加熱的矩形冷卻通道的傳熱惡化可以由變形的M形速度型識別。由截面上壓力梯度引起的第一類Prandtl二次流具有最大軸向速度的1.0%的量級。由Reynolds應(yīng)力引起的第二類Prandtl二次流的量級與第一類的相比小一個(gè)數(shù)量級。高的壁面導(dǎo)熱系數(shù)使徑向和流向的熱流密度分布更加均勻。高溫流體區(qū)域在凹面和凸面靠近豎直對稱面的位置出現(xiàn)并發(fā)展。在相同的水力直徑,入口Reynolds數(shù)以及熱流密度條件下,高寬比較大的冷卻通道得到的壁面溫度較小。輕微裂解反應(yīng)降低了壁溫,但它主要出現(xiàn)在非�？拷诿娴膮^(qū)域,而對主流幾乎沒有影響。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V235.21

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本文編號：1201372