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。l ：海交通大学硕士学位论文 摘要 大高宽比微小宽度矩形通道的流动特性研究 摘要 层板再生冷却推力室是未来空间运载器的必然选择，是下一代、低 成本、可重复使用天地往返系统达到长寿命、轻质量及高可靠性的关键 技术之一。本文的研究对象为层板再生冷却所特有的大高宽比微小宽度 矩形通道，对这种特殊通道的流动特性进行了数值计算和实验研究，为 层板再生冷却通道的应用做一些探索性的工作，本文主要进行了以下工 作： ， 对矩形通道层流充分发展段的流动分布进行了二维计算。f 计算采用 无量刚形式的控制方程。并根据计算结果讨论了高宽比a r 对矩形通道流 动的影响。、7 一 以商业软件a n s y s 为工作平台，对直通道内的层流和紊流流动进行 三维数值计算。f 对其流动特点进行分析，将层流结果与第二章的二维计 算结果进行比较分析。同时，讨论通道高宽比及入口速度对通道入口段 的影响。 大高宽比再生冷却套在宽度上已属于微小通道，为考察其流动传热 是否与常规尺度管道不同，本文理论分析采用经典n - s 方程而未考虑微 小尺度效应是否合理，研究流道高宽比等几何参数对其水力特性的影响， 搭建了挤压式水力实验台，设计了巩= 1 0 1 2 r a m ，宽度为0 6 0 8 m m ， a r = 3 1 5 的5 个不同高宽比矩形通道层板试验件，采用线切割加工槽道 和扩散焊接盖板的制造工艺，得到了质量可靠的试验件，以水为工质， 在国内首次对大高宽比层板再生冷却通道的流动特性进行了实验研究。 实验结果表明，在层流区，试验件的流动与常规尺度矩形截面管道规律 相符，与经典n - s 方程预测吻合：在过渡区和紊流区，流动出现微小效 应。1 一厂 ， 。本文的工作为层板再生冷却推力室大高宽比冷却通道的设计提供了 上海交通大学硕士学位论文摘要 必要的依据。 关键字：矩形通道，高宽比，微小通道，流动特性 兰塑奎望查兰堡主堂些笙苎 竺! 坐里 i n v e s t i g a t i o no ff l o wc h a r a c t e r i s t i c so f r e c t a n g u l a rc h a n n e l sw i t h h i g ha s p e c tr a t i o a n ds m a l lw i d t h a b s t r a c t t h en e x tg e n e r a t i o n1 0 wc o s t ，h i g lp e r f o r m a n c ea n dr e u s a b l el i q u i dr o c k e t e n g i n en e e d sm o r er e l i a b l e t h e r m a lp r o t e c t i o n r e g e n e r a t i v ec o o l e dt h r u s t c h a m b e rf a b r i c a t e du s i n g p l a t e l e tt e c h n o l o g y i so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e st o a p p r o a c ht h i sg o a l t h er e c t a n g u l a rc h a n n e lw i t hh i g ha s p e c tr a t i oa n d s m a l l w i d t hi sai m p o r t a n tp a r ti np l a t e l e tt e c h n o l o g y f o c u s e do nt h e s ec h a n n e l s ， w o r kw a sd o n ea sf o l l o w i n g ： t h er e s u l t so ft w o d i m e n s i o n a l d e v e l o p e df l o w i n r e c t a n g u l a rc h a r m e l w e r eo b t a i n e db ys o l v i n gt h ed i m e n s i o n l e s sn - se q u a t i o na n dt h ea f f e c to f a r t of l o wi nr e c t a n g u l a rc h a n n e lw a sd i s c u s s e d i ti ss h o w nf r i c t i o nc o e f ! 丘c i e n t i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go f a r t h r e e d i m e n s i o n a lf l o wo fl a m i n a ra n dt u r b u l e n c er e g i m ew a sc a l c u l a t e d b yu s i n ga n s y s c o m p a r i n g t h er e s u l t so fl a m i n a rr e g i m ew i t hl a s tc h a p t e r t w o d i m e n s i o n a lr e s u l t s a n db a s e do nt h er e s u l t s ，t h e e n t e r - r e g i o n o f c h a n n e 】sw a sd i s c u s s e d t h ew i d t ho f r e g e n e r a t i v ec o o l i n gc h a n n e l sw i t hh i g ha s p e c tr a t i oi si nt h e r a n g eo fm i c r o s c a l e i no r d e rt oi n v e s t i g a t ew h e t h e rt h ef l o wi ns u c hs m a l l c h a n n e l sa r ed i f f e r e n tf r o mt h a ti nm a c r o s c a l ec h a n n e l s w h e t h e rt h ec l a s s i c a l n s e q u a t i o n s w i t h o u tc o n s i d e r i n gm i c r o s c a l ee r i e c t s a r er e a s o n a b l et o a n a l y z e f l o wa n dh e a tt r a n s f e ri ns u c hc h a n n e l s a n dw h a te f ! f b c t s t h e g e o m e t r i cp a r a m e t e r ss u c ha sa s p e c tr a t i ow o u l dh a v eo nt h eh y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r , ah y d r o d y n a m i c st e s tr i gu s i n g h i g hp r e s s u r en i t r o g e n t od r i v ew a t e rt e s tr i gu s i n gp u m pt od r i v ew a t e rw e r e b u i l t r e s p e c t i v e l y f i v e t e s t p i e c e s w i t h r e c t a n g u l a rr e g e n e r a t i v ec o o l i n g c h a n n e l sa n dv a r i o u sg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ：h y d r a u l i cd i a m e t e r sr a n g i n gt r o m 1 0t o2 0t o n i w i d t hr a n g i n gf r o mo 6t o0 8r n n l ，a s p e c tr a t i o sr a n g i n gf r o m 3t o15w e r ed e s i g n e d t h ec h a n n e l si nt h et e s tp i e c e sw e r ew i r ee l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n e d i nt h eb a s e p l a t e t h e na c o v e rw a sd i f f u s i o nb o n d e do n t o t h eb a s ep l a t et oo b t a i nc o m p l e t ed u c t s i tw a st h ef i r s tt i m et h a te x p e r i m e n t a l s t u d i e so ft h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ri np l a t e l e t 上海交通大学硕士学位论文a b s t r a c t r e g e n e r a t i v ec o o l i n gc h a n n e l sw i t hh i g ha s p e c tr a t i ow e r ec o n d u c t e di nc h i n a t h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w e dt h a ti nl a m i n a rr e g i m e t h ec h a r a c t e r i s t i c so f f l o wa g r e ew i t hc o n v e n t i o n a lb e h a v i o r so b s e r v e di nm a c r o s c a l er e c t a n g u l a r c h a n n e l s t h et e s tr e s u l t sw e r ei na g r e e m e n tw i t hp r e d i c t i o no ft h ec l a s s i c a l n se q u a t i o n s i nt r a n s i t i o nr e g i m ea n dt u r b u l e n c er e g i m et h ec h a r a c t e r i s t i c s o ff l o wa r ed i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a lb e h a v i o r so b s e r v e di nm a c r o s c a l e r e c t a n g u l a rc h a n n e l s k e y w o r d s ：r e c t a n g u l a rc h a n n e l ，a s p e c tr a t i o ，m a c r o s c a l ec h a n n e l ， c h a r a c t e r i s t i c so ff l o w 上渤交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 未来空间运载器需要具有更大推力、更长工作时间、更高可靠性和更高效率的推 进系统来实现可重复使用的目标。开发长寿命、高效率及轻质量的热防护系统是实现 该目标的关键技术之一。不论是空天飞机方案还是可重复使用火箭发动机方案，目前 面临的热防护问题都很严峻。目前空间运载器的很多受热部件，如飞行器的再入头锥、 发动机推力室、燃气发生器、预燃室、涡轮叶片可以说都还没达到可重复使用的要求， 其中尤以发动机推力室的热环境最为恶劣。现代液体火箭发动机推力室内的燃气压力 可达2 0 m p a 以上，燃气温度可达3 0 0 0 4 0 0 0 k ，喷管出口燃气流的马赫数最高可达6 以上。这样高温、高压、高速燃气流将产生巨大的对流和辐射热流，在喉部附近热流 密度最大可达1 6 0 m w m 2 的水平川。为了防止推力室出现过热、氧化或腐蚀现象，发 动机必须采用一定的热防护技术。常用的传统热防护技术是主动冷却技术，分为内冷 却和外冷却两类。外冷却指在受热壁面的外侧采用冷却措施，把燃气传到壁内的热量 带走，主要有再生冷却、排放冷却和辐射冷却。内冷却是指在受熟室壁内表面采取冷 却措施，把壁面和燃气隔开，以减少燃气向室壁的传热，主要有膜冷却、发汗冷却、 屏蔽冷却、烧蚀冷却和自冷却等方法。 目前液体火箭发动机推力室常采用再生冷却或再生冷却和膜冷却相结合的热防 护方式。再生冷却不会引起发动机的性能损失，是非常经济的冷却方案，经过几十年 的反复实践，技术上比较成熟。但再生冷却通道内的流阻较大，使冷却套中产生较大 的压降，对泵提出了很高的要求，从而限制了燃烧室压力的提高和发动机性能的改善。 目前美国航天飞机主发动机( s s m e ) 采用的是再生冷却方案，但经几次飞行后发现 再生冷却并不能提供足够的热防护来满足s s m e 的循环寿命的要求，热应力引起的表 面失效使发动机不得不增加维修次数。另外，有两次s s m e 主燃烧室试验失败也被证 实是由表面裂缝引起的1 2 , 3 】。发动机内壁液膜冷却是以降低发动机性能为代价换取较 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 好的冷却效果的热控制方式。虽然液膜冷却具有热防护系统重量轻、冷却效果好于再 生冷却的优点，但膜冷却需要冷却剂的质量流率较大( 主流的1 0 3 0 ) i 4j ，而且近 壁层燃烧不充分，这里燃气温度低于主流温度，造成发动机排气速度降低，推力损失 增大。要解决可重复使用运载器热防护问题，单纯依赖传统成熟的热防护技术是难以 实现的；而按目前的国际先进水平估计，短时间内无法开发出抗高温、抗化学腐蚀、 轻质量、长寿命并可重复使用的热防护材料。所以必须开发全新概念的发动机热控制 技术，从现有技术条件出发，在换热部件的结构设计上谋求突破，这样层板材料( 结 构) 用于液体火箭发动机的热防护近年来得到了广泛的重视。 1 2 层板再生冷却技术在液体火箭推力室上的应用 层板是将大量刻有流动通道的金属薄片按预定的流动通道图案和壁面几何形状 迭放在一起，然后再以扩散焊形成整体结构物。通过控制和优化扩散焊接工艺参数， 层板结构物可以获得非常接近母材的机械性能【5 1 。自从层板技术1 9 6 4 年问世以来， 美国a e r o j e l 公司制造了成百种不同的层板设备。可用作层板结构物的材料分为金属 和非金属两大类。目前已成功用于层板设备的金属材料有不锈钢、铬镍铁合金、镍、 铝、钛、铜、锆铜、n a r l o yz 、钼、铍和氮化硅。非金属材料主要是陶瓷| 6 j 。 当液体火箭发动机采用再生冷却时，冷却剂流经冷却套，对内壁进行对流冷却， 自身受热温升后经喷注器进入燃烧室，使得通过内壁传出的热量又回到燃烧室，得以 “再生”，所以不会引起比冲的损失。但传统的铣削加工再生冷却推力室也有局限性： 冷却通道高宽比偏小无法充分发挥肋片强化传热的作用，为增强室壁对冷却剂的传 热，冷却套中冷却剂不得不保持较大的流量和流速使得冷却套中将产生较大的压力 损失，这个压力损失通常要占燃烧室总压的三分之一左右i7 】难以精确控制气壁厚度， 气壁过大的温度梯度导致热应力过大，使得循环寿命偏低。采用层板技术制造再生冷 却推力室，可以实现铣削加工难以得到的大高宽比冷却通道和薄到0 2 r a m 的气壁厚 度，从而大大提高了冷却能力。 a e r o j e t 公司针对目前的航天飞机主发动机s s m e ( s p a c es h u t t l e m a i n e n g i n e ) 的 主燃烧室( m c c ) 、计划中的空间运输助推器发动机s t b e ( s p a c et r a n s p o r t a t i o n b o o s t e re n g i n e ) 的燃烧室以及空间运输主发动机s t m e ( s p a c et r a n s p o r t a t i o nm a i n e n g i n e ) 燃烧室，将采用传统的再生冷却技术方案与成型层板衬层方案在传热、结构 上海交通犬学硕士学位论文第一章绪论 和成本三个方面进行了分析，结论是采用成型层板技术制造燃烧室衬层有许多诱人的 优点。 层板再生冷却推力室迟早是未来空间运载器的必然选择，是下一代、低成本、可 重复使用天地往返系统达到长寿命、轻质量及高可靠性的关键技术之一。近年来，我 国在层板的蚀刻和扩散焊加工工艺方面都有了长足的进步，国内的一些单位有了一定 的加工能力，层板技术已应用于液体火箭发动机喷注器的研制上，这一切表明，目前 对层板再生冷却推力室的研究已切实可行。 1 3 再生冷却通道内流动传热研究现状 液体火箭发动机推力室处于高温高压极端恶劣的工作条件。再生冷却技术是既能 保证发动机正常工作而又不降低其性能的主要手段，国内外绝大多数大型液体火箭发 动机均采用此项技术，但由于再生冷却的物理过程涉及流动、传热及燃烧等诸多方面， 而且冷却剂在再生冷却通道内一般处于超临界态，其物性的强烈变化对流动和传热有 很大的影响，大高宽比和推力室收敛扩张外形造成的流道弯曲和通道截面的变化使理 论模型比较复杂，目前国外研究主要集中在试验方面，专门对其进行理论分析的文献 不多。 1 9 9 1 年d z i e d z i c 和j o n e s 等【8 】将火箭发动机设计中常用的h e s s k u n z 、m c c a r t h y w o l f 、m i 】l e rs e a d e r t r e b e s 以及t a y l e r 提出的超临界氢紊流对流换热准则关 系式同f l u e n t 三维商用c f d 软件分析结果进行了比较，发现四个准则关系式在各自 的有效范围内得到的结果与c f d 计算吻合较好，但将这些关系式应用于发动机冷却的 整个参数范围，c f d 结果与其吻合很差，甚至相差1 0 0 ；比较之下，t a y l o r 的准则 关系式能在较宽的压力、温度、质量流率和热负荷范围内与c f d 结果吻合较好，但作 者将c f d 计算结果作为比较标准似乎欠妥。1 9 9 2 年c a r l il e 和q u e n t m e y e r j 通过试 验研究了在高压火箭发动机推力室中采用大高宽比( a r = 5 ) 冷却剂通道提高发动机寿 命和降低压损的效果，结果表明在同样的压降下，大高宽比冷却通道的气壁温度可以 降低3 0 ；通过减少冷却剂流量使压损只有小高宽比通道( a r = o 7 5 ) 一半时，仍可 得到比小高宽比通道低的气壁温度。1 9 9 1 年f r o h l i c h 和l e b a i l 等【1 w 对v u l c a i n 发 动机大高宽比再生冷却通道内的流动和传热进行了数值分析，他们采用一维程序计算 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 燃烧室内的流动和传热并将结果输入二维或三维有限元程序得到结构的温度场，其结 果作为热边界条件引入三维抛物型推进计算程序计算流场和温度场的细节。1 9 9 3 年 l e b a 】和p o p p 将他们在1 9 9 1 年提出的计算方法扩展到曲线坐标系中，计算了弯曲 的变截面管流。但l e b a i l 等人的计算方法只适用于抛物型流动，对于强烈弯曲的管 道流动不适用。1 9 9 3 年1 2 月，e l a m 和h a y e s ”j 在n a s a 马歇尔航天中心进行了缩 比再生冷却层板推力室的热试车，试车时间为1 3 3 1 秒，其中5 4 秒处于燃烧室工作 压力下。该层板推力室由四片成型层板经热等静压扩散焊接形成推力室内衬，内衬外 表面电铸n i 形成外壳体，四片成型层板分别由2 0 片厚度为o 0 1 4 英寸( o 3 5 6 m m ) 的板片扩散焊而成。层板流道的几何参数见表1 1 。热试车测得的压损和壁温与a e r o j e t 的水力热预测模型结果相差在5 5 之内。试验中出现了内壁变粗糙的现象，但尺寸 不大，很容易用砂纸去除。 表1 1 层板衬层流道几何参数 为研究层板的水力特性，a e r o j e t 公司在1 9 9 4 年对平板型层板、a m c c 用层板( 平 板型和成型层板型) 以及缩比成型层板衬层进行了水动力试验。发现由于层板内流道 几何形状复杂，使得流道中的流动极为复杂，很难用理论分析的方法准确地预测流道 中的压力损失，需要通过试验对理论预测进行校正；成型层板的压损比平板型层板高 4 1 5 。1 9 9 4 年m e y e r 1 4 】采用粒子示踪速度计结合摄像机和相应的图像处理软件 分析并定量测量了高宽比为5 的矩形1 8 0 。弯管内二次流动，观测到了经典的二次涡 对，但被大高宽比流动沿高度方向拉长，同直管紊流一样在大涡之外还存在小尺度涡， 但其试验雷诺数比实际再生冷却通道内的冷却剂流动雷诺数低了两个量级。1 9 9 5 年 s u l l iv a n ”】采用求解三维完全n s 方程的方法研究了矩形截面弯管常物性流动时高 宽比对速度、压力和温度分布的影响以及变物性对直管内层流紊流的影响。结果表明 弯管中的速度场和温度场与d e a n 数、雷诺数及流道的高宽比有关；再生冷却通道强 烈的单f 日, f j 3 n 热造成很大的密度梯度，导致轴向速度的不平衡，在横截面上产生强烈的 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 二次流动：密度的变化导致流体显著加速，使变物性流动时的压损大于常物性流动： 由于成型层板的冷却通道是弯曲的，这将增强层板( 尤其在喉部) 传热能力，因为在 喉部，弯曲的流道形成二次涡流，不仅促使冷却剂混合，而且迫使更冷的冷却剂流向 热壁面。大高宽比流道可能破坏二次涡流，从而影响换热效果，1 9 9 5 年m e y e r i t 6 通过 电热管试验研究火箭发动机冷却通道弯曲和其高宽比对冷却性能的影响，发现即使高 宽比高达1 0 ，管道的弯曲仍然能够强化传热，不会出现热分层现象，二次涡流不会 被破坏。1 9 9 6 年w a d e l 和m e y e r i l7 j 在n a s al e w i s 研究中心的发动机试车台上采用8 9 k n 推力室验证了大高宽比冷却通道的优点，该推力室喉部有2 0 0 根冷却通道，高宽比为 5 8 ，他们发现同传统的小高宽比再生冷却通道相比，喉部温度可以降低2 5 ；在减 少冷却剂流量使得匿损降低2 7 的同时，气壁温度至少可以降低1 3 。1 9 9 8 年k u h l 和v y o s c h n a k 等人【l8 1 采用有限元方法分析火箭发动机再生冷却燃烧室结构内导热和冷 却剂流动的耦合换热，同时分析了在循环热机械载荷下的弹塑性变形。1 9 9 8 年 n e u n e r 和p r e c l i k 等人1 19 】以空气作为工质，采用放大2 5 倍的模型研究了深冷火箭发 动机燃烧室矩形冷却通道中的流动和传热现象，重点考察带有翅片效应的单侧加热 大高宽比流道。试验中发现在不同流道位置上存在二次流动现象以及显著的质量流率 再分配。同直管道相比，即使高宽比达到8 ，二次流动也很明显，不管凹管还是凸管， 二次流动都有增强换热的能力，但在弯管下游的直管段，二次流动迅速降低；管道弯 曲造成的质量流率的再分配对传热也有显著影响，在大高宽比条件下，甚至要大于二 次流动的影响，质量流率的再分配对凹管能强化换热，对凸管则相反。 因为层板制造及成型工艺复杂，目前国内对层板再生冷却的试验研究报道几乎没 有，更多的是对层板技术，主要是层板发汗冷却技术在理论上进行探索。1 9 9 0 年张 人杰1 20 】提出了一个与二维有限元计算精度接近的再生冷却槽道导热一维解法。1 9 9 3 年祁锋【2 1 1 建立了考虑燃气性质、状态、气体辐射、积碳、几何结构影响、肋片效应、 材料和冷却剂物性变化、与外部环境的换热以及流动损失等因素的再生冷却传热计算 模型，比较全面地反映了再生冷却的物理过程，但他采用的是对流换热准则关系式和 一维导热模型，无法揭示流动和传热的细节。1 9 9 6 年韩振兴等1 2 2 j 采用三维有限元程 序对液体火箭发动机铣槽推力室三维温度分布进行了计算，得到了精确的局部温度 场。综上所述，目前国内针对大高宽比再生冷却通道和薄气壁厚度带来的发动机再生 冷却通道内流动传热的新特点研究无论从理论上还是试验上都还未见报道，甚至对于 传统的液体火箭发动机再生冷却传热计算也不多，现有的计算一般也是基于准则关系 式或一维流动假设进行的，无法提供真实的三维流动传热的细节。 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 微通道研究 大高宽比层板再生冷却通道的高度一般都在几个毫米的量级，但其宽度方向的尺 度非常小，只有0 5 l m m ，文献 2 3 】指出：在0 5 um 8 0 0 um 的范围内，流体的流 动和传热与常规尺度下的情况不同，会出现微小尺度效应，但对其临界尺寸尚无定论。 大高宽比再生冷却套内的流动在宽度上已属于微小通道，其流动换热是否与常规尺度 管道内流动换热有所不同，是否需要考虑微小尺度效应，都未有定论。在本文的研究 之前，有必要对有关微尺度通道内的流动传热特性研究作一个简要综述。 早在二十世纪六十年代，e r i n g e n ( 1 9 6 4 ) 2 4 1 ，a r i m a i l 等( 1 9 7 3 ) 2 5 1 以及a r i m a n 等( 1 9 7 4 ) 【2 6 1 就对微通道内的流体流动进行了理论研究，并预言微通道内的流动不 同于用n a v i e r - s t o k e s 方程描述的常规尺度管内的流动。然而他们的预言在当时缺乏 实验验证。 t u c k e r m a n 和p e a s e ( 1 9 8 2 ) 2 7 , z s 最早研究了微通道内流体( 水) 的流动与换热。 他们的实验显示，以水为工质的微通道可以有效地冷却电子芯片，微通道的高换热特 性开始被人所重视。继t u c k e r m a n 和p e a s e 的开创性工作，研究者对微通道与微细管 道的流动与换热做了大量的研究工作，在这些研究工作中虽然发现了一些与常规尺度 通道不同的现象，但微通道换热的潜力与价值得到了进一步证实。 w u 和l i t t l e ( 1 9 8 3 ) 1 2 9 】对宽为1 3 3 2 0 0 pm 、深为2 8 6 5 um 的梯形和矩形微 通道内的气体流动进行了实验研究。他们发现层流阻力系数较传统理论预测偏高，并 且从层流到紊流的过渡也发生得较早，大约在r e = 3 5 0 9 0 0 附近，同时微通道尺寸 和壁面情况对阻力系数和层流到紊流的过渡影响很大。1 9 8 4 年，他们还研究了气体 在微细( 近于梯形) 槽道内的层流和湍流流动与换热，发现热源布置对紊流换热影响 不大，但对层流换热有影响，两侧加热比一侧加热的n u 数大。传热强化的同时，流 动阻力也增大u 。 p f a h e r 等( 1 9 9 1 ) 3 1 , 3 2 研究了槽高为0 5 5 0 n n 的十种微槽在层流区的流动， 实验以氮气、氦气、乙醇和硅油为工质，实验通道以蚀刻的方式刻在硅片上。不同的 工质的流动现象不尽相同。他们发现在通道截面比较大的情况下，流动与理论值符合 较好；随着通道深的减小，出现了一个临界尺寸，当通道小于临界尺寸，观察到的流 6 上海交通大学砀士学位论文 第一章绪论 动现象与理论预测相背离。对于乙醇，实验数据显示，阻力常数与通道尺寸相关，与 雷诺数无关( 层流段) 。与乙醇不同，硅油的阻力常数与通道尺寸无关，却会随着雷 诺数的变化略有变动。分析中，他们把液体流动阻力常数下降解释为小尺度造成的粘 性( v is c o s i t y ) 下降，而把气体中的类似现象归结为小尺度引起的稀薄效应( t h e e f f e c to far a r e f a c t i o n ) 。 彭晓峰和p e t e r s o n 等人盼3 4 ，3 5 】以水为工质，对水力直径为1 3 0 3 4 0 ，的微通道 的流动和换热进行了实验研究。所有实验通道都是在不锈钢片上加工的。他们的实验 结果显示，微通道的流动和换热特性与常规尺度通道的相背离。实验中，层流热传递 在雷诺数2 0 0 到7 0 0 间截止，在雷诺数4 0 0 到1 5 0 0 间达到紊流定型换热。临界雷诺 数随着通道尺寸的减小而减小，观察到的转换区也相应变小。这些结果与传统理论相 去甚远( 传统理论中临界雷诺数在2 0 0 0 到2 5 0 0 之间) 。 j i a n g 等人【3 6 】对水力直径在8 4 2 ，m 的微通道进行了实验研究，实验工质为水。 实验通道的截面形状包括圆形、矩形、梯形和三角形。实验数据的雷诺数范围在0 1 到2 之间，并得出结论：微通道流动中，通道截面形状对流动没有影响，且实验与传 统理论吻合良好。 s t a n e y l 3 7 】在对微通道中的两相流进行研究的同时也对微通道中的单相流动做了 一些实验研究。实验通道在铝板上加工而成。实验通道的水力直径在5 6 2 6 0 ，m 之 间。实验数据表明：对于水，在雷诺数2 到1 0 0 0 0 之间所有尺寸的通道中都未观测到 过渡区的存在：对于气体流动，水力直径大于1 5 0 删的通道存在与理论预测相同的 过渡区，水力直径在8 0 1 5 0 j ”之间的通道不同程度的存在过渡区消失的现象，水 力直径小于8 0 脚时，过渡区几乎完全消失。 m a l a 和l i 【3 踟以水为实验工质对直径在5 0 - - 2 5 4 朋的微管进行了实验研究。实验 雷诺数范围为1 0 0 2 0 0 0 。在管经小于1 5 0 删的情况下，实验结果明显高于传统理论 预测值。总的来说，实验值高于传统理论预测值。他们认为这种结果可能是由层流一 紊流过渡区提前或是表面粗糙度的影响造成的。根据实验数据，t a l a 和l i 对直径5 0 1 5 0 脚微管的流动特性总结如下：层流一紊流过渡区提前发生在雷诺数3 0 0 9 0 0 之 间，在雷诺数i 0 0 0 1 5 0 0 范围内，管内流动达到充分发展微紊流。 p f u n d 等( 1 9 9 8 ) 【3 9 】以水为工质，对一系列深度为i 0 0 5 0 0 u m ，高宽比超过2 0 的槽道进行了测量，以水力直径为特征尺度的r e 数范围为4 0 4 0 0 0 。结果表明，槽 上海交通_ 人学硕士学位论文 第一章绪论 道表面粗糙度将提高层流流动摩擦系数，对于表面十分光滑的槽道，随着槽道深度的 减小，没有发现层流摩擦系数与经典连续理论得到的解有很大差别。通过对流动压降 的测量以及对流动过程的直接观察，发现从层流到紊流的临界r e 数约为常规通道的 一半。 姜明健等( 1 9 9 8 ) 4 0 1 对水在水力直径为0 4 o 5 5 m m 的矩形和三角形槽道中单相 流动和换热进行研究，发现流体的单相流动换热性能明显高于常规槽道，而阻力系数 低于常规槽道，在温差较小时，能达到较高换热强度。 x u 等( 2 0 0 0 ) 【4 1 对水在水力直径为3 0 3 4 4 ui n 的矩形微通道中的流动进行了实 验研究，通过对理论结果与实验结果的比较分析，他们认为，当液体在水力直径大于 3 0um 的微通道中流动时，实验结果与理论存在偏差是由制造和安装过程造成的尺寸 误差造成的，微尺度引发的特殊效应在水力直径大于3 0 um 时并没有显现出来，经典 的ns 方程对该尺度范围内微通道中液体流动还是适用的。 可见，不同试验者对微通道的实验研究在定量甚至定性上均存在着差异。对微通 道内的流动和换热作出准确的估计还是一件不可能的事。目前，有关微小尺度流道内 流动传热特性的研究可谓方兴未艾，微小通道中流动和传热尚需进一步研究。但毫无 疑问，当尺度小到一定程度，流体的流动和传热机理必定与经典理论不符，但出现小 尺度效应的临界尺度还没有定论。对于大高宽比、小宽度层板再生冷却通道是否出现 小尺度效应，只能通过实验进行考察。 综合各文献内容，可能造成微尺度流动传热偏离宏观流动传热的因素主要有两个 方面： ( 1 ) 当流道的特征尺寸缩小至与载体粒子( 分子、原子、电子、光子等) 的平均 自由程同一量级时，基于连续介质概念的一些宏观概念和规律就不再适用，粘性系数、 导热系数等概念要重新讨论，n s 方程和导热方程等也不再适用。 ( 2 ) 流道的特征尺寸远大于载体粒子的平均自由程，即连续介质的假定仍能成立， 但是由于尺度的微小，使原来的各种影响因素的相对重要性发生了变化，从而导致流 动和传热的规律可能发生变化。 目前，有关微小尺度流道内流动传热特性的研究可谓方兴未艾，各研究者的结果 存在很大矛盾，表明微小通道中流动和传热尚需进步研究。但毫无疑问，当尺度小 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 到一定程度，流体的流动和传热机理必定与经典理论不符，但出现小尺度效应的临界 尺度还没有定论。对于大高宽比、小宽度层板再生冷却通道是否出现小尺度效应，只 能通过实验进行考察。 1 5 本文研究的主要内容 本文对层板再生冷却所特有的大高宽比微小宽度矩形通道进行研究，对这种特殊 通道的流动及换热特性进行了数值计算和实验研究，为层板再生冷却通道的应用做一 些探索性的工作。 第二章对矩形通道层流充分发展段的流动分布进行了二维计算。计算采用无量纲 形式的控制方程。并根据计算结果讨论了高宽比a r 对矩形通道流动的影响。 第三章本章以商业软件a n s y s 为工作平台，对直通道内的流动进行三维数值计 算。对其流动特点进行分析，将层流结果与第二章的计算结果进行比较分析。同时， 讨论通道高宽比及入口速度对通道入口段的影响，为后继的实验提供理论依据。 第四章以实验手段研究层板再生冷却通道所特有的大高宽比、小宽度矩形流道内 流动特点。采用平板形再生冷却层板作为试验件，并搭建水力实验台，测得流动阻力 特性，评估了经典n s 方程和大尺度矩形和圆形通道准则关系式的对层板再生冷却通 道设计的适用性，并给出了对这种通道的简化计算方法。 第五章为全文结束语，对本文的研究工作了全面的评述，并提出了对未来研究工 作的展望。 淘交通大学硕士学位论文 第二章矩形通道层流充分发展段速度的二维计算 第二章矩形通道层流充分发展段速度的二维计算 2 1 引言 本章对矩形通道层流充分发展段的流动分布进行了二维计算。计算采用无量纲形 式的控制方程。并根据计算结果讨论了高宽比a r 对矩形通道流动的影响。 2 2 控制方程 计算区域如图2 - 1 所示。b 为宽，a 为高。 根据以下条件对运动方程进行简化： 1 流动方向为x 轴正方向，y 和z 方向的 速度分量r 和矿为零。 2 考察充分发展截面的稳态流动，u 在x 方向上变化率为o 。 3 常物性，密度和运动粘性为常数。 4 不考虑体积力的影响，即忽略重力和浮 升力的影响。 得到直角坐标系中流动控制方程为 a 2 , a 2 “幻 矿+ 矿2 素 定义无量纲速度 一 “= 一 吖口 图2 - 1 计算区域示意图 f i g 2 1s k e t c h o fc a l c u l a t er e g i o n ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 上淘交通大学硕士学位论文 第二章矩形通道层流充分发展段速度的二维计算 乩为截面平均速度 定义无量纲宽度 定义无量纲高度 歹= 詈 一z ”i ( 2 3 ) ( 2 4 ) 将以上定义的无量纲量代入( 2 - 1 ) 得到无量纲形式的控制方程 垂+ 垂：旦呈( 2 - 5 ) o y 。8 王 z u d o x 又根据阻力系数的定义式 可推出 ，：三生立 。 p “。2 三 如喊 苏 2 丸 将( 2 - 7 ) 代入( 2 5 ) 并化简得 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 争+ = 一半c - + 去2 c z 删 其中r e 为雷诺数，a r 为高宽比，其定义式分别为 r e ：p u , ，d h a r ：a b ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 上淘交通人学硕士学位论文 第二章矩形通道层流充分发展段速度的二维计算 在充分发展层流段 ( 1 + 去) 2 是一个常数，这样控制方程可简化为 些+ 些：一1( 2 1 1 ) 丁+ ：= 2 一j 1 2 一 d vd z 方程( 2 8 ) 与方程( 2 - 1 1 ) 只相差一个常数笋( 1 + 面1 ) 2 。在相同边界条件情 况下，求得方程( 2 1 1 ) 的解孑，将其求平均值设为“：，又因为方程( 2 8 ) 解无量 纲化后的平均值为l ，故有 即 f r e ( 1 + 去) 2 “：= 1 ( 2 - 2 a ) f r e ：!(2-12b) ( 1 + 丽1 ) 2 “： 可见，对于矩形通道，f r e 是一个与彳斤相关的常数。 2 3 边界条件 如图2 - 1 所示，矩形通道的四个边为无滑移边界条件。 v = 0 ：“= 0 v = 1 ：“= 0 z = 0 ：“= 0 z = a r ：”= 0 上海交通大学硕士学位论文第二章矩形通道层流充分发展段速度的= 维计算 2 4 网格划分 由于计算区域为规则的矩形区域，因此采 用四边形网格。计算区域的宽划分为4 0 份，高 根据不同的高宽比a r 分为4 0 a r 份。考虑到近 壁面处由于零边界层的影响速度剃度较大，因 此在近壁面处对网格作加密处理。图2 - 2 为划 分网格后的计算区域示意图。 2 4 计算结果 本章对高宽比a r 为1 、3 、5 、7 、1 0 、1 5 的六个矩形通道进行了数值计算，根据计算结 图2 - 2 网格划分示意图 f i g 2 - 2s k e t c ho f g r i d 果得到了各个通道层流充分发展段的速度等值线图。 见图2 - 3 。需要指出图中数据是由方程2 - 1 1 得到的，因此，图中的数据与速度值相 差常数竽( 1 + 丽1 ) 2 倍，这对研究速度分布并无影响。 a r = 1 圭塑銮望查堂堡主兰堡笙：苎 塑三兰堑丝望望星亟奎坌茎垦垦望壁竺三生盐蔓 a r = 3 a r = 7 1 4 0 a r = 5 a r = 1 0 上海交通大学硕士学位论文 第二章矩形通道层流充分发展段速度的二维计算 图2 - 3 不同通道的主流速度等值线 f i g 2 - 3c o n t o u r o f s t r e a m - w i s e v e l o c i t yo f v a r i o u sc h a n n e l 因为在忽略重力影响的 情况下，本章计算的流动区域 有两个对称面，因此在实际计 算中没有在整个区域计算，只 计算了1 4 个区域。从图2 3 中可以看出，近壁面处速度梯 度较大，这与零边界层的特性 相符。在高宽比增大的情况 下，速度等值线在相应方向上 拉伸，仅在形状上有所变化， 分部规律并无很大变化。 为了考察a r 对f r e 的影 响，还计算出对应不同a r 下 02 _68f of 2 1 41 6 a r 图2 - 4 从与t r e 的关系图 f i g 2 - 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e n a r a n d 皿p 上海交通大学硕士学位论文 第二章矩形通道层流充分发展段速度的二维计算 的f r e 值，见图2 - 4 。从图中可以看出f r e 随着a r 的增大而增大。在a r ：1 时，f r e 最小为5 6 9 ，在a r = i5 时，f r e 达到8 8 。说明不同高宽比的矩形通道的f r e 会有较 大差别。从图中还可以看出，高宽比对f r e 的影响并非线性的，在a r 较小时，a r 的较小波动会引起f r e 的较大变化：而在a r 较大时，f r e 随a r 的变化就没有那么 剧烈了。可见，f r e 对a r 的敏感度是随着a r 的增大而降低的。可以预见，若a r 继 续增大，f r e 会达到一个极限值。由于在实际应用中，a r 不可能无限增大，本章不 对这个问题作深入讨论，只给出一个计算数据，即当a r 继续增大，f r e 会向9 6 逼 近。 大高宽比的f r e 大，说明在同等条件下( 相同面积或相同水力直径) ，达到同一 雷诺数，矩形通道的a r 越大，其阻力系数，越大，也就是说它的压力损失就越大。 因此单就流动而言，大高宽比的矩形通道压力损失较大。 上海交通大学硕士学位论立第三章通道内流动的三维数值计算 第三章通道内流动的三维数值计算 由于液体火箭发动机再生冷却通道内流动和传热是耦合的，因此很少有文献单独 探讨液体火箭发动机再生冷却通道的流动，大多数为流动和传热的耦合计算。 喷管的冷却通道并非一个整体，而是由不同尺寸，不问冷却工质的通道连接而成。 包括圆柱段、收敛段、喉部、扩张段和延伸段。其中圆柱段为直通道：喷管的延伸段 部分曲率半径很大。因此，本章以商业软件a n s y s 为工作平台，对直通道内的流动 进行三维数值计算。并对其流动特点进行分析，同时将层流结