超臨界碳?xì)淙剂狭鲃?dòng)裂解耦合特性的數(shù)值研究.pdf

1、為避免額外攜帶冷卻劑所帶來(lái)的質(zhì)量懲罰，碳?xì)淙剂弦炎鳛橐环N冷卻工質(zhì)被應(yīng)用于高超聲速飛行器的再生冷卻技術(shù)中。在冷卻過(guò)程中，受到超臨界壓力下大溫差范圍內(nèi)燃料物性的劇烈變化以及燃料在高溫條件下的吸熱型裂解反應(yīng)的影響，流場(chǎng)與裂解反應(yīng)耦合在一起共同影響燃料在冷卻管道中的對(duì)流換熱過(guò)程。這一復(fù)雜的耦合過(guò)程為研究超臨界壓力條件下燃料在管道內(nèi)的流動(dòng)換熱特性帶來(lái)了巨大困難。本文基于一維和多維計(jì)算模型，針對(duì)流場(chǎng)與裂解反應(yīng)的耦合過(guò)程對(duì)燃料在管內(nèi)的熱沉分布的影響以

2、及特殊結(jié)構(gòu)下的局部流場(chǎng)對(duì)管道內(nèi)對(duì)流換熱過(guò)程的影響開(kāi)展了如下幾方面的研究工作：
　　基于商用計(jì)算平臺(tái)，以GDE-1發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)冷卻平板中的局部特殊冷卻結(jié)構(gòu)在Da數(shù)Ⅰ區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)分布進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，從減小流動(dòng)死區(qū)，降低下游通道內(nèi)流量分配不均，合理分配燃料熱沉的角度對(duì)特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。然后對(duì)比分析了對(duì)于亞臨界區(qū)、跨臨界區(qū)及超臨界區(qū)中，在燃料物性劇烈變化影響下，局部特殊結(jié)構(gòu)周圍流場(chǎng)分布特點(diǎn)及下游通道流量分布特點(diǎn)。從而提出了局部

3、特殊冷卻結(jié)構(gòu)在冷卻平板中的最佳設(shè)計(jì)位置。
　　基于熱平衡管道能量法，考慮真實(shí)氣體物性，建立了流動(dòng)裂解耦合一維計(jì)算模型。然后基于碳?xì)淙剂狭呀鈧鳠釋?shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)一維模型進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。為量化流動(dòng)與裂解間過(guò)程間的耦合效應(yīng)，引入了鄧克勒數(shù)（Da）。該數(shù)反映了流場(chǎng)中裂解反應(yīng)過(guò)程對(duì)流場(chǎng)的依賴程度?；谝痪S計(jì)算模型所得到的Da數(shù)分布情況對(duì)沿程流場(chǎng)中的流動(dòng)裂解耦合效應(yīng)進(jìn)行了量化分區(qū)，并分析了每個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度、流動(dòng)、裂解率分布特點(diǎn)。最后通過(guò)對(duì)比分析每

4、個(gè)區(qū)域內(nèi)的Da數(shù)及熱沉比分布特點(diǎn)，從流場(chǎng)與裂解耦合效應(yīng)的角度提出了一種基于Da數(shù)控制化學(xué)熱沉的方法，同時(shí)根據(jù)不同影響因素條件下 Da數(shù)與化學(xué)熱沉分布的變化特點(diǎn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　針對(duì)碳?xì)淙剂狭鲃?dòng)裂解耦合流場(chǎng)，利用預(yù)處理形式的控制方程，使用時(shí)間推進(jìn)算法建立了基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的超臨界低速化學(xué)反應(yīng)流二維模型。模型中采用了TNT k-ω湍流模型，同時(shí)引入了真實(shí)氣體物性算法。對(duì)流項(xiàng)采用了基于Venkatakrishnan二階限

5、制器的界面物理量高階重構(gòu)與預(yù)處理改進(jìn)型AUSM+格式相結(jié)合的形式進(jìn)行離散。然后在進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格重排序的基礎(chǔ)上使用 LU-SGS隱式求解方法對(duì)離散方程進(jìn)行全耦合形式求解。最后分別基于Hagen-Poiseuille流、平板邊界層流及粘性方腔驅(qū)動(dòng)流對(duì)基于預(yù)處理后的全耦合時(shí)間推進(jìn)計(jì)算法方法在低速流計(jì)算中的適用性和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證分析。
　　基于碳?xì)淙剂狭呀鈧鳠釋?shí)驗(yàn)及商用程序計(jì)算平臺(tái)對(duì)二維碳?xì)淙剂狭鲃?dòng)裂解耦合二維計(jì)算模型進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證

6、。基于二維模型計(jì)算結(jié)果，對(duì)燃料在管道內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)流場(chǎng)邊界層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。同時(shí)基于Da數(shù)分布對(duì)徑向的流動(dòng)裂解耦合效應(yīng)進(jìn)行了進(jìn)一步分區(qū)，并分析了每個(gè)區(qū)域內(nèi)化學(xué)熱沉分布特點(diǎn)，從而將基于Da數(shù)的化學(xué)熱沉控制方法推廣至二維流場(chǎng)。
　　針對(duì)碳?xì)淙剂匣瘜W(xué)反應(yīng)流場(chǎng)中的徑向熱通量擴(kuò)散與對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程，對(duì)管道徑向流場(chǎng)分布進(jìn)行了詳細(xì)的傳熱傳質(zhì)機(jī)理分析。基于該兩種物理過(guò)程的作用特征時(shí)間討論了徑向熱量擴(kuò)散與傳質(zhì)過(guò)程對(duì)流動(dòng)裂解耦合過(guò)程的影響，從而深入分析了化