管内超临界流动传热特性及应用研究

超临界流体是一种介于气体和液体之间的特殊状态的流体,它兼有气体和液体的双重性质和优点,在动力工程、核电、低温超导、暖通空调及航空航天等领域有着广泛的应用。超临界流体一个重要的特征就是热物性参数随温度变化剧烈,尤其在临界以及拟临界区域,这使得其传热特性呈现出与传统强制对流不一样的特点。本文首先以超临界二氧化碳为研究对象,通过数值模拟获得其在层流以及湍流状态下的流动与传热特性,在此基础上对现有超临界传热计算方法进行总结、分析和评价,然后根据超临界传热的修正准则以及最小二乘法提出全新的传热关联式,最后根据本文提出的传热计算方法,实现超临界碳氢燃料在高超声速飞行器综合热管理系统设计中的应用,全文的主要工作和研究成果如下:(1)建立二维柱坐标下超临界层流传热的控制方程,编写方程的计算程序并通过实验数据对计算结果加以验证,然后通过计算程序获取了超临界压力下管内层流的速度分布、温度分布以及传热分布的特性与规律,探讨了不同入口压力、管道内径、质量流速、热流密度、入口温度以及流动方向对超临界压力下管内层流传热分布的影响。(2)建立三维笛卡尔坐标下超临界湍流传热的控制方程,采用SST k-ω湍流模型,利用CFD软件对控制方程进行求解并验证了结果的可靠性,然后通过该方法获取了超临界压力下管内湍流的速度分布、湍动能分布、温度分布以及传热分布的特性与规律,探讨了不同入口压力、管道内径、质量流速、热流密度以及流动方向对超临界湍流传热分布的影响。(3)对现有的超临界传热关联式进行广泛地搜集和整理,总结了现有传热关联式在形式上的规律,建立了可用于传热关联式评价的宽范围实验数据库,然后根据不同的划分准则对实验数据进行分类,最终通过将传热关联式与实验数据库进行对比,得出了传热关联式对数据库的适应性分析结论,为现有传热关联式的选用和新传热关联式的建模提供了依据。(4)总结了超临界传热关联式建模的修正准则,根据建模修正准则并结合现有传热关联式的适应性分析结论,确定了传热关联式建模的待定形式,利用最小二乘法以及MATLAB编程实现各种无量纲数的排列组合与超临界水和超临界RP-3实验数据库的迭代寻优,得出了全新的形式简单,适用范围广以及预测精度高的超临界水和超临界RP-3传热关联式。(5)探讨了适合于高超声速飞行器综合热管理系统的方案,根据本文提出的超临界传热计算方法,利用MATLAB/SIMULINK平台的图形化交互界面创建并封装了适用于高超声速飞行器综合热管理系统的主要功能模块集,完成了以超临界碳氢燃料为主要热沉的综合热管理系统的设计过程,分析了不同设计参数对热管理系统设计结果的影响。