论文总字数：32998字

摘 要

本文采用gambit和SolidWorks进行三维建模，基于大型商业流体力学计算软件ansys fluent进行数值模拟。对超燃冲压发动机冷却通道的尺寸特征和燃料的物性参数进行研究和探索。

对三角形齿形内螺纹管建模的构想与网格划分方式的探究，如何简洁高效的建立适合普通笔记本电脑计算的网格数量以及对SolidWorks和workbench软件的探索。

进行边界条件的验证选用，从温度场、速度场、密度分布、分子粘度分布和固定轴向横截面的各项参数来分析对比三角形齿形四刀口内螺纹管与矩形直通道管道对流体换热增强的影响。

探究不同螺距的内螺纹管对流体流场的影响和抑制传热恶化的能力，并将得到的结论与基于流体力学和传热学的猜想进行比较验证。

进行内螺纹管对不同种类工质换热强化差异的相关研究，本文采用RP-3中航航空煤油和超临界水为例开展这一课题。

关键词：超燃冲压发动机；再生冷却；四刀口三角形齿形内螺纹通道

Abstract

This paper uses gambit and SolidWorks for 3D modeling and numerical simulation based on the large commercial fluid mechanics calculation software ansys fluent The size characteristics of the scramjet engine cooling passage and the physical properties of the fuel are studied and explored.

The idea of modeling the triangular toothed internal thread tube and the exploration of the meshing method, how to introduce the efficient number of grids suitable for ordinary laptop computing and the exploration of SolidWorks and workbench.

The boundary conditions are validated. The temperature field, velocity field, density distribution,molecular viscosity distribution and fixed axial cross-section parameters are used to analyze the fluid heat transfer between the triangular toothed four-knife internal threaded pipe and the rectangular straight channel pipe. Enhanced impact.

The effects of internal threaded tubes with different pitches on the fluid flow field and the ability to suppress heat transfer deterioration were explored, and the conclusions obtained were compared with those based on fluid mechanics and heat transfer.

The related research on the difference of heat transfer enhancement between different types of working fluids by internal threaded pipe is carried out. This paper uses RP-3 AVIC aviation kerosene and supercritical water as an example to carry out this topic.

Keywords：scramjet engine;Regenerative cooling;Four-blade triangular toothed internal thread channel

目 录

第一章 绪论 1

1.1选题的背景及意义 1

1.2国内外发展及研究现状 1

1.2.1国外发展及研究现状 1

1.2.2国内发展及研究现状 2

1.3结论 3

第二章 数值计算的理论基础与数学模型 5

2.1数值计算 5

2.1.1数值计算的计算原理 5

2.1.2数值计算的优点 5

2.1.3数值模拟步骤 5

2.2 湍流及其数学描述 5

2.2.1湍流流动的概述 5

2.2.2 湍流的特征 6

2.2.3 湍流的基本方程 6

2.2.4 湍流模型的选择 7

第三章 矩形直通道建模与数值仿真 9

3.1物理模型 9

3.2边界条件及物性参数 11

3.2.1边界条件 11

3.2.2物性参数 12

3.3q=2MW/m2与q=1.5MW/m2内螺纹管与矩形直通道换热对比 13

3.3.1温度场对比 13

3.3.2速度场对比 15

3.3.3密度对比 16

3.3.4分子粘度对比 16

3.3.5各算例轴向0.30m横截面分析 17

3.3.6各算例轴向0.35m横截面分析 18

第四章 内螺纹管的模型构建与网格划分 19

4.1三角形齿内螺纹管模型的构建 19

4.1.1关于建模所用软件的选用尝试与成果展示 19

4.1.2gambit里面的工件加工处理过程 20

4.2四刀口三角形齿内螺纹管网格划分 21

4.2.1网格划分过程中遇到的困难以及解决方案 21

第五章 螺纹管与矩形直通道之间的换热强化研究 25

5.1螺纹管与矩形直通道之间的换热强化研究 25

5.1.1温度分布 25

5.1.2速度分布 28

5.1.3密度分布 30

5.1.4分子粘度分布 33

5.1.5轴向0.3m处截面温度分布对比 35

5.1.6轴向0.35m处截面温度分布对比 36

5.1.7轴向0.4m处截面温度分布对比 38

5.2内螺纹管的不同螺距对换热强化方面的影响 39

5.2.1 温度分布 39

5.2.2 速度分布 40

5.2.3 密度分布 42

5.2.4 0.30m截面温度对比 43

5.2.5 0.35m截面温度对比 44

5.2.6 0.40m截面温度对比 45

5.2.7不同截面速度分布对比 46

5.3小结 47

第六章 内螺纹管道对于不同工质的换热强化性能差异 49

6.1热流2.0MW/m2条件下RP-3和超临界水在内螺纹管道内换热对比 49

6.1.1温度分布 49

6.1.2速度分布 50

6.1.3密度分布 51

6.1.4分子粘度分布特征 51

6.1.5轴向截面的温度速度分布云图对比 51

6.2热流1.0MW/m2条件下RP-3和超临界水在内螺纹管道内换热对比 54

6.2.1温度分布 54

6.2.2速度分布 55

6.2.3密度分布 55

6.2.4分子粘度分布 56

6.2.5轴向截面速度温度分布云图 56

6.3总结 58

第七章 结语 61

致 谢 63

第一章 绪论

1.1选题的背景及意义

高超声速飞行器当今快速发展。它以吸气式及组合式发动机为动力，能够在大气层或跨大气层以5倍甚至更高倍声速远程巡航，其在民用和军用领域都有广泛的应用前景。

伴随超燃冲压发动机发展，发动机散热与发动机材料耐热矛盾变得突出。目前使用吸热型碳氢燃料对超燃冲压发动机燃烧室进行主动冷却被认为是实现持续的吸气式高超声速飞行最为有效和实际的途径之一^[1]。超燃冲压发动机燃烧室再生冷却结构一般由内、外两层壁构成，两层壁之间形成冷却介质流通通道，冷却介质采用超临界状态下的低温液态燃料。先流经冷却通道，对燃烧室内壁冷却后再经喷注器喷入燃烧室，使燃料流经燃烧室内壁冷却通道从高温燃气中吸收的热量又回到燃烧室^[2-5]（故称再生冷却）。由于发动机冷却通道的压力约为 3 MPa-7 MPa，较低温度的碳氢燃料以压缩液态进入冷却通道。在燃料达到超临界态前，影响裂解率的因素主要是温度和压力，再生冷却结构的材质则几乎没有影响^[6]。当燃料的温度超过其临界温度后，燃料进入超临界状态。当燃料的温度进一步升高，会发生吸热反应。流体在冷却通道中复杂的热物理性质变化和化学反应使流动和传热的分析变得复杂，增加了超燃冲压发动机再生冷却系统的设计和分析难度，用大规模数值模拟研究异形通道内超临界压力碳氢燃料流动传热及结构强度的特征及规律对发展高效再生冷却技术具有重要意义和价值^[7-9]。

1.2国内外发展及研究现状

1.2.1国外发展及研究现状

高超声速飞行技术是各大国空天业发展的重要方向。他们把超燃冲压发动机作为高超声速飞行器动力系统的发展重点，展开了一系列与实际应用相关的技术方案。如美国在DARPA、NASA、海军、空军开展各自的超燃冲压发动机研发的同时，为降低技术风险，还分别进行了并行技术方案研究工作^[10]。美国空军和海军不但分别开展了技术方案完全不同的EFSEFD和Hyfly项目，还分别开展Robust Scramjet计划和RATTLRS计划作为备份方案^[11]。

1987年德国开始发展高超声速技术；1993年与俄罗斯合作进行了马赫数6状态下燃烧室试验，同时在马赫数5和6的状态下对缩尺矩形超燃冲压发动机进行了试验。1990-2003年，对HFK系列(HFK-L1、HFK-L2、HFK-E0、HFK-E1)高超声速飞行器进行了多次试验，最大飞行速度马赫数6～7^[12]。

法国于20世纪60年代开始超燃发动机研究，高超声速风洞S4MA建立于60年代末，70年代初在ESOPE计划中进行了马赫数7的燃烧实验和马赫数6的直联式实验，PREPHA计划于90年代初开始进行，进行大量关于超燃发动机研究，法国与俄罗斯、德国进行了合作，与俄罗斯合作开展了马赫数3～12的超燃冲压发动机项目、火箭搭载的飞行试验等，1997年以来，法国与德国合作开展JAPHAR计划。2003年1月，ONERA和MBDA公司开始实施一项名为LEA的飞行试验计划。目前，LEA的首批次地面试验已经在改造后的METHYLE试验设施上完成^[13]。

Pizzarelli等^[14-17]在给定热流比、入口温度及出口临界压比为1.16的条件下对矩形冷却通道的传热恶化特性进行研究。数值结果表明，在较高的冷却剂压力或较高的表面粗糙度的情况下，可以减轻传热恶化程度。

1.2.2国内发展及研究现状

1987-1992年在863计划“天地往返运输系统”论证中，提出“以飞船起步，以空天飞机为发展方向”，进行了超声速燃烧的初步研究，90年代初，在921工程和863计划的推动下，国内多家单位开始了超燃冲压发动机预研工作，在超声速燃料点火、稳定燃烧、高超声速进气道设计、高超飞行器气动、材料、发动机/飞行器一体化总体设计等方面都取得了进展，还建成了一批相关地面设备，如1米高超声速风洞(4～10马赫)、1米电弧风洞(50MW)、JF-12高超声速激波风洞(9马赫、3000K)、流量100kg/s的高超声速冲压发动机自由射流试车台等^[18]。

刘世俭等对超燃冲压发动机碳氢燃料再生冷却换热过程进行了研究，碳氢燃料在高温下能通过裂解或脱氢反应具有有效化学吸热性质^[19]，在使用温度下低结焦、低析碳、高的综合吸热冷却能力的碳氢燃料将具有较好的换热效果^[20]。对超临界碳氢燃料的研究，目前多采用实验研究和数值模拟的方法^[21]。张丽娜分析了冷却管内超临界碳氢燃料物性变化特性，获得其在管内对流传热分析解、随温度变化的导热系数、粘度与传热效率的关系，为超燃冲压发动机的热防护设计提供科学的理论支持^[22]。鲍文在超燃冲压发动机再生冷却结构的强化换热优化方面做了研究，他建立了超燃冲压发动机燃烧室及主动再生冷却通道计算模型，提出再生冷却系统的等壁温优化设计方法^[23]。

刘升君对冲压发动机燃烧室再生冷却进行数值模拟研究，相同工况下，随着冷却剂流量的增大,燃烧室内壁面与冷却通道的平均温度均降低，并且降幅逐渐趋缓，热壁面和冷却通道壁面的平均换热系数增大，相同工况下，随着冷却通道高度的增大,热壁面的平均温度与最高温度均增大，而热壁面与冷却通道壁面的平均换热系数与最高换热系数均减小，着冷却通道高度的增大，压力损失急剧减小，并且冷却剂的不同流进流出方式对于热壁面与冷却壁面的平均温度影响不大，但对总压损失和热壁面温度场的均匀性有一定影响，合理布置流道对于减少总压损失和通道温度均布有显著作用^[24]。

通过文献搜集，还看到了如下研究：在超临界压力下，较低的热流密度、增大压力、降低进口流体温度或提高质量流速均有利于改善冷却通道内的传热性能，避免传热恶化现象的发生^[25]。高宽比和壁面粗糙度对压力损失、二次流动以及湍流强度的影响^[26]。针对液体火箭发动机再生冷却过程中的结焦问题，对含粗糙元的微小冷却通道内的流动和传热过程进行数值模拟^[27]。对推力室冷却进行流-热-固耦合对流换热计算和分析^[28]。研究了冷却剂温度分层的形成机理及其对流动和换热的影响^[29]。液体碳氢燃料在发动机燃烧室壁面大高宽比矩形冷却通道内以超临界状态与壁面进行耦合传热，对流接触面积大，不存在拟临界传热恶化状况的发生，换热效果明显强于其它冷却方式^[30]。

1.3结论

在超燃冲压发动机主动再生冷却领域里依然有很多我们没有涉足过但是仍然可能具有很大影响的课题需要我们一一研究。本文将对通道不同形状对换热能力得影响进行细致研究。

第二章 数值计算的理论基础与数学模型

介绍湍流模型及其数学描述，从中选取合适的湍流模型，介绍计算流体力学和湍流的相关理论知识。介绍连续方程，能量守恒方程和动量守恒方程。

2.1数值计算

2.1.1数值计算的计算原理

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD)是基于计算机技术，采用数学模型并组合相应的控制方程来描述流场三大守恒定律，从而得到流场离散的定量描述的一门学问。

2.1.2数值计算的优点

计算流体力学有着突出的优点相对于单纯的实验流体力学、理论分析。计算流体力学比起实验更加灵活，可以随时改变边界条件并且不会受到外界条件变化的影响。只需要借用电脑来进行模拟，不需要消耗实验材料，节省大量的财力物力。并且计算流体力学不会受到模型精度不够，测量精度不够所产生的影响。对于在有毒或者高温环境下的实验，计算流体力学可以详细描述实验过程。相比实验有着明显的优势。

2.1.3数值模拟步骤

其一般步骤为：建立目标模型,划分合适的网格给定初始条件以及边界条件,试计算调校方法,针对不同的问题得出结论。

2.2 湍流及其数学描述

2.2.1湍流流动的概述

湍流是相对于层流的一种流动状态，层流的流场稳定，可预测，速度大小方向不变，且其速度方向单一，不存在多个方向的速度矢量。但层流要求速度较小，且无环境因素干扰。随着速度的增大，层流的哥流程会开始产生波动，其流场开始存在不稳定性，这种流动状态称为过度流。当流体流动速度继续增大或者流体的流动区域产生较大变化，这时该流体将做不规则运动，流体各流层之间开始剧烈混合，同时会产生分速度方向，各流体微团的运动轨迹将不可预测。

2.2.2 湍流的特征

1)湍流具有不规则性，由于其速度和流动方向呈不规则变化，所以无法预测其下一个流动位置；

2)湍流具有扩散性，因此湍流能将流体各组分各物理性质充分的混合在一起。

3)湍流流体微团的运动虽然是无规律可循的，但其却又具有某种规律的特征。

4)湍流具有关联性，相邻的流体微团之间总能找到相关联的多个参数。

2.2.3 湍流的基本方程

遵循三个基本的守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。控制方程就是这些守恒定律的数学描述。

a.质量守恒方程：

(2-1)

b.动量守恒方程：

(2-2)

(2-3)

(2-4)

c.能量守恒方程：

(2-5)

2.2.4 湍流模型的选择

为了使计算工作简单又不失其物理本质，Boussinesq提出，在动量控制方程中，除体积力项中的密度外，其它的物性均为常数。此即为著名的Boussinesq假设。采用Boussinesq假设后，我们可以把雷诺应力表示为:

(2-6)

其中 (2-7)

式中称为湍流黏性系数，是空间坐标函数，而分子黏性则是物性参数。目前，在空调室内计算气流采用的最多的是经过Spalding和Launder修正后的高雷诺数模型。在空调室内这一领域中，模型还是由于其他模型，所以本课题采用标准模型。

2.2.5 标准模型

标准模型是在一方程模型的基础上，加入一个关于湍流耗散率的方程后形成的，在该模型中的定义为：

(2-8)

其中可以写成和k的函数，即：

(2-9)

与k和两个基本未知量所对应

的运输方程对于稳态流动为：

(2-10)

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