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超临界压力下庚烷的湍流换热数值研究

华益新  
【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。


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