（工程热物理专业论文）高速燃气喷射管道表面自然对流散热分析.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 喷射器是一种利用高压流体卷吸、引射低压流体的装置，因其具有结构简单、 性能可靠、用途多等优点而被广泛用于各个领域。近年来，随着航空航天技术的 飞速发展，动力系统的高空模拟试验日益频繁，喷射、引射器的研究应用也有了 很大进展。当高速喷射流体或被引射流体的温度较高时，关于喷射器管壁的传热 以及管道表面的自然对流散热分析是研究设计过程的重要环节，系统地深入开展 研究具有实用的工程背景和理论意义。 本文首先对环形喷射器内的流动进行二维轴对称数值仿真，得到管内的复杂 流动规律以及喷射管分别用于冷流引射( 被引射流3 0 0 k 左右) 、高焓引射( 被引 射流1 0 0 0 k 左右) 及模拟高空试车( 被引射流3 0 0 0 k 甚至更高) 三种不同用途时 的管内流动规律与流体温度分布规律，以此作为喷射管与燃气之间的等效热阻计 算的依据。 下一步研究了管表面换热系数与管壁外表面温度、环境温度及管取不同材质 等的关系，得到了喷射管表面散热受管壁温、环境温度、及管表面材质发射率等 因素的影响规律。并利用等效热阻，应用有限体积元法，沿喷射管轴向划分为1 0 段，每段分4 层2 4 个体积元，编制计算程序计算得到喷射管壁的三维稳态温度分 布；为进一步验证所得结果，采用热流耦合计算，把喷射管内流体流动、喷射管 固壁传热、表面自然对流散热作为一整体一体化计算，得到管内流动与管壁温度 的分布，进而分析管壁的温度分布与喷射管内复杂流动之间的联系，为喷射管是 否需要采用主动冷却方法提供理论依据。 最后，在得到管壁温度分布后，分别分析了单管及多管在有限空间及大空间 的自然对流散热情况，并分析各参数在大范围内变化时对单管及多管自然对流散 热的影响。 主题词：喷射器自然对流散热有限体积元数值计算热流耦合 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee q u i p m e n to fe j e c t o rh a sb e e nu s e di nav a r i e t yo fa p p l i c a t i o n sb e c a u s eo fi t s s i m p l i c i t y ，r e l i a b i l i t y ，a n dv e r s a t i l i t y a st 1 1 ed e v e l o p i n go fa e r o s p a c et e c h n o l o g y ，t h e t i m e so fa l t i t u d es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ei n c r e a s i n g w h e nt h ee j e c t i n go re j e c t e d h i g hs p e e df l u i dt e m p e r a t u r ei sh i g h ，i ti si m p o r t a n tt oa n a l y z et h er u l eo ft e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fe j e c t o rw a l l 1 1 1 er u l eo ff l o wi nt h ee j e c t o ra n df l u i dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na r ea c h i e v e db y n u m e r i c a ls i m u l m i o nm e t h o di sc o m p i l e d i tm a k e sp r e p a r a t i o n sf o rt h en e x ts t e p a n d t h r o u g hc o m p a r i n gt h r e ew o r ks t a t e so fe j e c t o r ，e j e c t i n go fc o l d f l o w ，e j e c t i n g o f h i g h - e n t h a l p ya n da l t i t u d es i m u l m i o ne x p e r i m e n t s ，t h et e m p e r a t u r eo fe j e c t e df l u i di s d i f f e r e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h et e m p e r a t u r eo fe j e c t e df l u i db e c a m eh i g h e ri n t h ep i p e t h ef l u i dt e m p e r a t u r ei nt h ee j e c t o rb e c o m eh i g h e r ，a n dt h er u l eo ff l o wi s u n i f o r l n w ea s s i m i l a t et h e r m a lr e s i s t a n c et oe q u i v a l e n tr e s i s t a n c e t h r o u g ht h em e t h o do f f i n i t ev o l u m ee l e m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l m i o nw a sp e r f o r m e df o rt h eh y p e r t h e r m i ae j e c t o r u n d e rn a t u r a lc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rt oa i r i no r d e rt ov e r i f yt h er e s u l t s ，m e t h o do f t h e r m a lf l o wc o u p l ew a sa p p l i e dt oc o m p u t et h ef l o wa n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o fp i p ew a l l a st h et e m p e r a t u r eo ft h ee j e c t o rw a l lh a sb e e ng o t ，w ea n a l y z et h en a t u r a l c o n v e c t i o no fs i n g l ep i l ea n dm u l t ip i p e su n d e rl a r g es p a c ea n dc o n f i n e ds p a c e ，a n d c o m p a r i n gt h ee f f e c ta st h er e l a t e dp a r a m e t e r sw e r ec h a n g e d k e yw o r d s ：e j e c t o r n a t u r a lc o n v e c t i o nf i n i t ev o l u m ee l e m e n t ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h e r m a lf l o wc o u p l e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1 表面对流换热系数的数值范围2 表2 1 标准k s 模型中各系数1 2 表3 1 计算自然对流m 公式中的常数2 6 表3 2 不同材质表面的发射率2 7 表3 3 空气在4 2 5 k 时物性参数3 5 表3 4 基体材料1c r l8 n i 9 t i 的导热系数一3 6 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 单级喷射器结构图1 图1 2 喷射器原理图5 图1 3 定常面积混合喷射器混合段流场结构图7 图2 1 环形引射器结构示意图9 图2 2 喷射器截面图1 3 图2 3 喷射器截面图1 4 图2 4 喷射管头部网格图1 4 图2 5 近壁面处网格加密1 4 图2 6 喷射管内马赫数分布15 图2 7 中心轴线处马赫数分布1 6 图2 8 近壁面处马赫数分布1 6 图2 9 喷射管内压强分布1 7 图2 1 0 喷射管内的温度分布图1 7 图2 1 l 喷射管内的速度分布图1 7 图2 1 2 轴线处速度图1 8 图2 13 近壁面处速度分布图18 图2 1 4 近壁面处压强数分布1 9 图2 1 5 中心轴线处压强分布。1 9 图2 1 6 中心轴线处流体温度分布2 0 图2 1 7 喷射管入口混合流线图。2 l 图2 18 激波串结构示意图。2l 图2 1 9 入口4 马赫时喷射管内压强分布2 1 图2 2 0 入口5 马赫时喷射管内压强分布2 2 图2 2 1 入口2 5 马赫时喷射管内压强分布2 2 图2 2 2 冷流引射时喷射管内的温度分布2 2 图2 2 3 入口总温7 0 0 k 时喷射管内温度分布2 2 图2 2 4 入口总温3 0 0 0 k 时喷射管内温度分布2 3 图2 2 5 喷射管用于三种不同用途时轴线流体温度分布。2 3 图2 2 6 扩张段回流区近壁面处的温度分布2 4 图3 1 管表面换热系数与壁温和发射率关系2 7 图3 2 管表面换热量与壁温、发射率的关系2 8 图3 3 不同材料在环境温度变化的换热量2 9 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 4 有限体积法的节点网络和控制体积3 0 图3 5 喷射管等效热阻传热网点示意图3 1 图3 6 喷射管示意图3 2 图3 7 管截面单元划分示意图3 2 图3 8 管内壁表面强迫对流换热系数3 4 图3 9 程序流程图3 5 图3 1 0 各层温度分布3 6 图3 1 1 不同表面换热系数时管外壁温度分布一3 7 图3 1 2 不同材料内外壁温差3 8 图3 13 典型耦合传热示意图3 9 图3 1 4 耦合求解示意图4 l 图3 1 5 头部耦合求解网格图4 1 图3 1 6 耦合求解整体网格图4 1 图3 1 7 管内流场压力及速度分布图4 2 图3 1 8 采用一体化计算得到喷射管壁温度分布4 3 图3 1 9 尾部温度分布一4 3 图3 2 0 尾部近壁面温度分布4 4 图4 1 单管在有限空间的自然对流4 5 图4 2 单管有限空间速度矢量分布图4 6 图4 3 管周围空气速度矢量图4 7 图4 4 管上部形成的涡图4 7 图4 5 单管在有限空间自然对流的温度分布4 7 图4 6 温度较高时单管在有限空间自然对流的流线分布4 8 图4 7 温度较高时单管在有限空间自然对流的温度分布4 8 图4 8 有限空间较小时单管在有限空间自然对流的流线分布4 9 图4 9 温度较高时单管在有限空间自然对流的温度分布4 9 图4 1 0 有限空间双管自然对流散热模型一5 0 图4 1l 有限空间三管自然对流散热模型5 0 图4 1 2 双管流场流线图5 1 图4 1 3 双管自然对流温度分布图5 1 图4 1 4 有限空间两管不同温度是流线图5 2 图4 1 5 有限空间两管温度不同时温度分布图5 2 图4 1 6 有限空间三管温度相同时流线图5 3 图4 1 7 有限空间三管温度相同时温度分布图5 3 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 8 有限空间内中间管温度较高时的三管流线图5 3 图4 1 9 有限空间内中间管温度较高时的三管温度分布图5 4 图4 2 0 有限空间内左侧管温度较高时的三管流线图5 4 图4 2 l 有限空间内单侧管温度较高时的三管温度分布图5 4 图4 2 2 大空间单管自然对流流线图。5 5 图4 2 3 大空间单管自然对流温度分布5 6 图4 2 4 大空间双管自然对流温度分布5 6 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：直速憋氢喷射篁道塞亘自筮殖速邀热金蕴 学位论文作者签名：鲴盗日期：2 嗍年1 1 月2 二日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 日期：埔年，1 月“日 日期：。2 t 佬铲年，月彳日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出和背景 喷射器是一种用高压流体卷吸、引射低压流体的装置”】。其具有结构简单、没 有运动部件、运行可靠、成本低、易于维护等优点，并且对抽质无严格要求，对 于有毒、易燃易爆、腐蚀性强等气体都适用，因此被广泛用于能源动力、石油化 工、制冷等领域i l 】。如电厂的空气冷却系统，冷凝器抽气装置；水力除灰器等；在 军事上用于垂直短距起飞着陆飞机的起飞增推，火箭超声速环型引射器发动机高 空试车台真空系统；气动激光器和化学激光器压力恢复系统等。由于喷射器内部 气体混合流动过程非常复杂，部分机理尚不清楚，所以国内外研究其内部复杂流 动及混合过程的学者较多卧 7 1 0s m c 的李德海”】指出引射器主流与被流的温升与 温降之比为2 5 3 0 ，例如，主流总温为4 0 0 k ，披流总温为2 0 0 0 k ，则引射器 出口的主、被流混合流体总温约为7 2 0 8 0 0 k ，这是多种钢材可以承受的，不必 采取主动冷却。因此，研究管的温度分布及表面自然对流散热很少。对于高压喷 射流体或被卷吸、引射的流体温度较高时( 模拟高空试车时被引射流体可达3 0 0 0 k 甚至更高) 【9 ，此时喷射管是否需要采取主要式冷却是研究设计过程的重要环节， 有着实用的工程背景和理论意义。 此外，无论是简单的单管还是多排管在工程上都是常见的，如战术火炮、烘 房等设备中都比较常见。分析其管壁的温度分布和表面的自然对流散热情况理 论上对研究圆管及锥管内复杂流动及表面自然对流都有促进意义；实践中对管路 优化设计和安装，提高战术火炮的稳定安全性，延长使用寿命都是有实际意义的。 图1 1 单级喷射器结构图 1 2 自然对流散热发展及研究现状 对流是指由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间发生相对位移、冷热流 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 体相互掺混所引起的热量传递过程。按流动的起因而论，对流可分为自然对流和 强制对流【lo 】。自然对流换热是指不依靠外力，由流体自身温度场的不均匀引起各 部分密度不同从而导致的流动称为自然对流。工程上特别感兴趣的是流体流过一 个物体表面时的热量传递过程，并称之对流换热。表1 1 给出了几种对流换热过程 表面传热系数的大致范围，知道典型条件下表面传热系数的数量级是很有必要的， 由表1 1 可见，就介质而言，水的对流换热比空气强；就方式而言，有相变的优于 无相变的，强制对流高于自然对流，例如，空气自然对流换热的h 为l l o 的量级， 而水的强制对流的h 则是“成千上万”。 表1 1 表面对流换热系数的数值范同 过程 h l w ( m 2 k ) 】 自然对流 空气1 1 0 水2 0 0 1 0 0 0 强制对流 气体2 0 1 0 0 高压水蒸气5 0 0 3 5 0 0 水 1 0 0 0 - 1 5 0 0 0 小的相变 沸腾 2 5 0 0 3 5 0 0 0 蒸汽凝结 5 0 0 0 2 5 0 0 0 对流换热其产生的机理是：当流体与固体壁面接触时由于它们温度不同而发 生对流换热，流体与固体壁面紧邻的一层由于流体粘性作用而停滞于固体表面， 从而使得内壁表面的流体薄层与固体表面之间的实际换热过程属于导热过程。因 此对流换热过程除了与流体性质、流体相对壁面的运动、以及壁面的几何特性、 壁面与流体的相对位置等有关系；还与壁面处流体导热性质有关【l5 1 。总之，对流 换热过程十分复杂，影响因素较多，因此研究对流换热的基本目的就是用理论分 析或实验分析方法来具体确定各种情况下的对流换热系数h 与其有关的影响因素 的计算关系式。 若按流体与固体物的流动情况可分为内部对流与外部对流，前者如管流，后 者为流体对物体表面的绕流( 或外掠) 。当壁温高于流体温度时，对于内部对流， 对流换热量可用牛顿冷却公式计算，即 q = h ( t w - 0 ) ( 1 一1 ) 对于外部流动，则是按外界流体温度乙与壁温的差值确定h 后，再计算其换热 量的，即 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 g = 办( 0 一乙) ( 1 - 2 ) 可见牛顿冷却公式把复杂的对流换热系数计算矛盾归结于对流换热系数h 的 确定。故研究对流换热主要是研究对流换热系数，而对于自然对流换热同样是研 究自然对流换热系数。 影响对流换热的主要因素包括： ( 1 ) 流体的物理性质。如密度、比热容、导热系数等。 ( 2 ) 流体运动发生的原因。一般分为强制流动和自然流动。但强制流动的 流速不太大时，自由对流的影响便相对增大而加以考虑，当强制对流中还必须考 虑因浮升力而引起的自然对流时，便称为混合对流【1 5 1 。 ( 3 ) 流体运动状态可分为层流和紊流两种。层流时，流体作分层的规则流 动，流体各部分基本上平行于物体壁面或通道壁面流动，不同层内的流体不相混 合。因此垂直于主流方向流层间的剪切力与热传递全部由于流体分子的粘性及导 热性引起。紊流时，流体各部分的运动处于不规则的随机状态，在垂直于主流方 向上有流体微团的横向运动，从而使各部分流体剧烈地混合，因此流体紊流运动 时的对流换热比层流时强。确定流体运动状态的参数是雷诺数，即r e 数。 ( 4 ) 换热表面的几何形状、尺寸。 综上所述，换热系数是与很多物理量有关的复杂函数【| 7 1 ，如下所示： h = f ( w , p ，c 。，j l l ，k ，t w ，乞，l ，s ，妒，g a p ) 式中，g a p 为自然对流时，作用于流体单位体积上的浮升力，即为该流体在 不同温度下的重力之差。9 为物体的几何形状类别，g 为物体壁面粗糙度，三为特 征长度，p 为流体密度，c 。为流体比热比，乙为固壁温度，乙为流体温度，p 为 流体动力粘度。 z u 自然对流换热系数通常包括在“数中，其中m = 竿，用量纲分析法取得h 与 庀 g r 数及丹数之间的函数关系，也可表示如下： m = c ( g r n ) ”k( 1 - 3 ) 根据流动情况确定不同的参数，当函p r 1 0 3 时【7 】，自然对流换热极弱可以 忽略；当1 0 4 g r p r 1 0 9 时为紊流。最后通过 再：坐警求出平均对流换热系数。 厶 k u e h n 和g o l d s t e i n 对套管中的自然对流开展了实验研究【1 1 1 。内外壁面均为等 温表面，对大气压下的空气作了实验，覆盖了导热区层流区和部分紊流区，最后 整理了相关的准则方程式，但他们的方程较为复杂，在工程计算上使用不大方便。 c h o 等作了数值模拟研究，取内外圆柱均为等温表面，采用双球坐标的网格系统， 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 对涡量一流函数形式的支配方程进行转换后，可用于偏心套管中的计算l l2 | 。f a r o u k 等对水平同心套管的层流和紊流自然对流进行了数值计算，仍然用涡量一流函数 方程进行求解，紊流时用双方程模型，整理了当量导热系数与雷诺数之间的关系 【1 3 1 。m a h o n y 等对于变物性对同心套管内层流自然对流的影响作了探讨。在内外侧 均为定壁温条件下，对导热系数和粘度系数取一定规律变化，最后得到内外壁温 变化时对当量导热系数的影响，k u m a r 对此类问题进行了较细致的数值模拟。考 虑变压器电线中的散热条件，对内壁取定热流条件，外壁为定壁温条件，以间隙 为特征尺寸，采用涡量一流函数方法进行了求解。z h o n g 等对矩形空腔内层流自然 对流问题研究了变物性换热的影响，并提出了b o u s s i n e s q 假设的适用范围为温差 率小于0 1 。m a h o n y 等对等温壁面管的层流自然对流问题进行了数值模拟。他们 采用了“体积加权”的平均温度作为参考温度，得到密度、粘性系数和导热系数 等物性单独随温度变化时对流换热的影响，总的影响则使努塞尔数( n u ) 较定物 性时低【1 2 1 。h e s s a m i 等也对介质分别为空气和甘油时自然对流进行了研究。其结论 为：当介质为空气时，其换热和温度分布的变化可忽略不计；而对于甘油，其换 热与定物性相比要略高一些，但对于温度场分布则与定物性时有较大差别，沿径 向各点的温度明显要高，尤其是当内外壁面的温差较大时现象更为明显。t a k a t a 等对腔内三维流动和换热进行了数值模拟【1 4 1 ，不过半径比和高宽比的变化基本未 考虑。而且其结果也存在着一些值得商榷的地方。 蒋常建【l5 j 分别对高温燃气管道表面层流自然对流和倾斜同心套管夹层内的自 然对流换热进行数值计算。利用s i m p l e c 算法对该问题进行了求解，并数值模拟 与有关文献中的实验和数值结果作了分析对比，相符良好。陈光明研究了变物性 对水平圆管自然对流换热的影响，得出定物性结果在近内壁面出温度梯度要大于 变物性的结果，而在近外壁面处前者的温度梯度要小于后者，在中心区域两者相 差不大。罗耀日月【1 6 j 建立了激光实时全息监测装置，以连续观察记录单根和双根水 平圆管外自然对流传热的非定态过程。章熙民应用微机遥控微细热电偶测量了湿 度比达3 8 6 的水平圆管表面自然对流换热边界层，较好地解决了高温下热电偶的 定位及测量问题。通过对高温辐射影响的分析指出它不会造成较大的测量误差。 黄同庆借助马赫一蔡特光干涉仪对不同直径比、不同水平( 横向) 煽心率的水平圆柱 环隙内自然对流传热进行实验研究。对环形空间的当量导热系数进行了定量的测 量。王敏建【1 7 】采用有限差分法对发热电缆搁置于圆管内形成的最大偏心水平环形 空间自然对流传热问题进行了数值研究。通过选择合适的坐标变换，在边界条件、 节点划分、计算区域和控制方程离散化及其求解等方面作了合理有效的数值处理， 获得了符合实验结果的收敛的唯一数值解，为了解电缆在圆管内的散热情况，优 化选择管尺寸提供科学依据。王晓云【l8 】应用旋转的实验方法，通过实验测试，研 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 究了空气自然对流状态下横圆管被稳态加热时管壁温度圆周方向温度分布和变化 率。 1 3 喷射器的发展及研究现状 喷射器技术的研究已有1 0 0 多年的历史【1 1 。在这以前，喷射器的基本原理，即 两股流体的混合现象，在1 6 世纪已被发现，到1 9 世纪8 0 年代，德国学者佐伊纳 和兰金的著作奠定了喷射器的理论基础。 麓抽气体 图1 2 喷射器原理图 喷射器的名称和种类很多，目前尚未形成统一的分类方法。习惯上按工作流 体引射介质的性质及物理状态来划分，工作流体是液体( 不可压) 的称为射流泵， 工作流体为气体的称为喷射器。美国热交换委员会( h e a te x c h a n g ei n s t i t u t e ) 提出的 标准则依照工作流体与引射流体的名称进行分类【l9 i ，如引射流体为水的蒸汽喷射 泵命名为s t e a m - j e tw a t e re j e c t o r ，再比如s t e a m - j e ts t e a me j e c t o r ( 蒸汽喷射蒸汽喷射 器) ，g a s - j e tg a se j e c t o r ( 气体喷射气体喷射器) ，w a t e r - j e ta i re j e c t o r ( 水喷射空 气喷射器) 等。尽管各种特定用途的喷射泵所使用的介质多种多样，但其内的规 律大同小异，即工作的流体通过拉伐尔喷嘴加速形成高速射流，而被引射流体则 由于与工作流体间的剪切作用被卷吸到混合室，而后两股流体不断进行质量、动 量、能量交换，逐渐形成一股单一均匀的混合流体经一扩散段减速增压到一定的 背压排出喷射泵。尽管在实际生产中有多种不同形式的喷射泵，如多喷嘴，环型 多股入口，侧向入口，脉冲喷射泵等，然而单级喷射泵是在各个领域中应用最为 广泛的一种。超音速喷射器结构虽然简单，但内部气体的流动复杂，混合机理尚 不清楚，对其的研究可分为理论研究和实验研究。 1 3 1 理论研究进展 在十九世纪末，德国的佐伊拉和兰金为喷射器的发展奠定了理论基础【l 】，他们 提出的对于混合的流体应用动量方程通过实验证明而被广泛应用。但该理论并不 能完全解决喷射器的计算问题，诸如选择适宜的剖面形状、确定喷射泵的轴向尺 寸等问题。 由于受到流体力学和气体动力学等基础学科发展水平的限制，在很长一段时 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 问内喷射器理论和计算方法都没宵取得突破。 供热技术和通风技术的发展对于详细研究喷射器的结构和理论起到了促进作 用。在二十世纪三十年代，以前苏联中央流体力学研究所为主的多家科研机构研 究、整理出相对比较完善的喷射器计算方法和详细的设计结构。并推导出了在变 工况下喷射器工作的特性曲线方程式。在二十世纪四十年代，在中央流体研究所 的a h 洛日金的领导下进行了喷射压缩器的研究【l 】，并设计出首批蒸汽喷射压缩 装置应用于工业中。c a 赫里斯季阿诺维奇第一次考虑了在混合室的入口截面上工 作和引射流体存在着不同静压力的情况下工作流体为超临界膨胀的喷射器的工作 特点，并做出了物理解释和推导出计算这种类型的喷射器的第二极限状态的方程 式。 喷射器是一种利用高压流体抽吸低压流体的装置。它具有结构简单、没有运 动部件、运转费用低廉、操作维修方便等优点，并且对被抽介质无严格要求，对 于有毒性、易燃易爆、腐蚀性强及至可凝气体几乎都适用，加之抽气量大，工作 压力范围宽，因此在能源动力、石油化工、冶金、制冷等工业领域均得到了广泛 应用。喷射器结构虽简单【2 】，但其内部气体的混合过程非常复杂，存在着激波、边 界层、剪切层的交互作用，混合机理尚不清楚。现在的研究设计大多采用半经验 半理论的办法。 由于在工程实际中，由于喷射器运行不稳定、动态调节性能差异大，设计性 能与实际性能不一致等问题，故研究其内部流动过程、性能调节、运行稳定的较 多。通常的用于喷射的气体温度不高，因此对于研究管壁温度分布及表面自然对 流散热的研究比较少。对于高压喷射管气体或被卷吸、被引射的流体的温度较高 时，对喷射管壁的传热及表面自然对流散热分析是研究设计的重要环节，有着实 用的工程背景和理论意义。 1 3 2 实验研究进展 研究者们在进行理论分析的同时，也作了大量的实验研究工作。喷射器的壁 面静压是一个相对比较容易测定的物理量，h e d g e 和h i l l 采用两种不同锥度的喷嘴 ( 分别是4 4 。和1 2 。) 对喷射器内的速度及壁面静压分布作了测定【2 0 】，结果表明锥 度对喷射器的性能影响并不大。为了分析喷射器内的混合过程，b a u e r 将激波的结 构及纹影照片的形式表现了出来，遗憾是的他仅研究了定常面积混合的情况【2 1 1 。 w a t a n a b e 作了一些实验以决定喷嘴位置及扩散段长度对喷射器性能的影响， 他发现喷嘴相对混合室存在一最佳位置，此时喷射器具有最高的喷射系数，扩散 段长度的增加能提高扩散段的效率但不利于喷射器效率的提高，但他同时又指出 喷嘴位置对喷射器工作的影响超出了当时的理论范围。前苏联热工研究所的实验 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 结果证实了w a t a n a b e 的发现”，即喷嘴的出口到混合室入口距离有一最佳距离。 同时发现该距离略小于最佳距离时对喷射器的性能影响不大，而当这距离太于最 佳距离时，喷射器的工作性能迅速恶化。他们认为这是因为自由流束带入到混台 室的气体要比喷射器能通过的多，因而有一部分气体从混合室倒流入吸入室，从 而增加附加损失所一致。刘志强等人作了与之相似的研究。 m a t s u o 等人口q 对具有矩形截面混合室和矩形截面喷嘴的喷射器进行了研究， 他们采用不同的喷嘴及不同的混合室截面和喷嘴截面的面积比组合以观察它们对 喷射器性能的影响。 d e s e v a u x 采用激光对定常面积混合空气喷射器内的混合过程进行了一系列有 益的探索【如l ，所得出的混合段激波结构照片对理解喷射器的混台过程具有很大的 价值。由图得出的一些实验结果可见工作流体自喷嘴射出以后不断膨胀压缩( 激 波串) ，形成了逐渐衰减的准周期性流动结构。 图1 3 定常面积掘台喷射器混合段流场结构图 1 4 本论文主要研究内容 本文回顾了喷射器和自然对流的发展历史和国内外研究现状，并指出课题研 究的理论背景和实际意义。随着航空航天技术的飞速发展，动力系统的高空模拟 试验日益频繁，喷射、引射器的研究应用也有了很大进展，当高速喷射流体或被 引射流体的温度较高时，关于喷射管壁的传热以及管道表面的自然对流散热分析 是研究设计过程的重要环节，系统地深入开展研究具有实用的工程背景和理论意 义。 本文首先对环形喷射器内的复杂流动进行二维轴对称数值仿真，得到管内的 流动规律，当喷射管用于研；同用途时被引射流体温度不同，得到了喷射管分别用 于冷流引射( 3 0 0 k 左右) 、高焓引射( 1 0 0 0 k 左右) 及模拟高空试车( 3 0 0 0 k 甚 至更高m j ) 二种不同用途时的管内流动规律与流体温度分布规律，以此作为喷射管 与燃气之间的等效热阻计算的依据。 以上一步分析的结果为依据，分别应用有限体积元法编制计算程序、软件一 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 体化仿真得到管壁的温度分布，并对比分析其结果，为喷射管是否需要采用主动 冷却提供理论依据。 在得到管壁的温度分布后，分别研究单根喷射管、多喷射管并排放置在大空 间以及在有限空间的自然对流散热情况。该研究在工程实际中应用十分广泛，可 推广为横掠管排散热研究等，另外引射器在关机后，分气腔中将会有有限空间自 然对流换热产生，引射器外壁与大气间将会有大空间自然对流换热产生。研究有 限空间内自然对流换热对解决液体火箭发动机地面试车、引射器关机后的对流换 热等问题具有重要的理论及实践意义。 1 5 本章小节 本章首先提出问题的研究背景及国内外研究现状。由于喷射管内部气体混合 流动过程非常复杂，部分机理尚不清楚，所以国内外研究其内部复杂流动及混合 过程的学者较多。通常用于喷射的气体温度不高，因此，对于管的温度分布及表 面自然对流散热的研究很少。对于高速喷射流体或被引射流体的温度较高时，对 喷射管壁传热以及管道表面自然对流散热分析是研究设计过程的重要环节，有着 实用的工程背景和理论意义，系统地深入开展研究具有实用的工程背景及理论意 义。然后介绍了自然对流的相关概念、国内外的发展现状；下一步介绍了喷射器 的原理1 3 j ；并分别从理论和实验两方面阐述了喷射器在国内外的发展现状。最后把 本文主要的研究内容做一个简单的概述。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章高速燃气喷射管道内复杂流动流场的计算 喷射器内复杂流动的研究可分为实验研究与数值计算研究，但由于实验手段 有限且实验设备复杂、昂贵，受经费的限制很大。而且，随着现代计算机技术和 计算流体力学( c f d ) 的迅速发展，数值计算方法以其耗费小、参数可控、流场透明 等特点在气体动力学、流动与燃烧、传热与传质等领域得到广泛应用，成为研究 与流动有关物理现象的种重要研究手段。喷射器流场极其复杂，涉及超声速剪 切层、激波附面层干扰等多种复杂流动现象【3 】，而且这些流动现象还相互作用和干 扰，理论分析手段难以准确地描述超声速喷射器复杂的内流场，实验研究由于各 种限制，也很难得到较全面的超声速喷射器流场结构，因此数值计算方法在这一 领域可以大显身手，能够以较小的代价得到较全面的超声速喷射器流场结构图， 对超声速喷射器的设计和实验提供指导。 2 1 计算方法 由于喷射管流场具有轴对称的特点，为了节省时间，以便在更广的参数范围 内探讨喷射器内部流动性能的变化规律，采取二维对称雷诺平均n a v i e r - s t o k e s 方 程，湍流模型采用了标准的k s 双方程模型3 1 。数值求解时，采用二阶迎风格式 对连续方程、动量方程和能量方程进行耦合求解，这种耦合求解方法对于喷射器 管道内超声速流场结构的捕捉至关重要，接着再求解湍流输运方程；时间上采用 隐式的r u n g e k u t t a 方法进行迭代计算，直至流场收敛。 环形喷射器的喷嘴和喷射管道结构示意图如图2 1 所示。由于超声速喷射管道 的长径比较大，管道内的超声速剪切层和激波附面层干扰流场结构对数值计算中 网格的横向尺度和纵向尺度都提出了较高的要求，因此计算中的网格数量较大。 另一方面，环形喷射喷嘴的喉道尺度非常小，而喷射管道的尺寸相对较大，整个 流场尺度存在明显的刚性问题，如果将喷射喷嘴流场和喷射管道流场作为一个整 体进行数值计算，流场计算的收敛过程将非常缓慢，计算效率下降。 图2 1 环形引射器结构示意图 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 此外当引射气流和被引射气流产生严重不匹配时，喷射喷嘴流场就不受引射 管道流场的影响，因此，计算中可以将引射喷嘴流场和喷射管道流场分离，先计 算引射喷嘴流场，再以引射喷嘴出口参数作为喷射管道入口参数进行流场计算。 这样，这样可以大大提高计算效率，实践表明这种计算策略是合理的。本文中假 设喷射喷嘴出口参数已知，也即喷射管入口条件是给定的【3 1 。 2 1 1 二维轴对称控制方程 守恒形式的控制方程： 百o u + 等+ 箜+ h ：o ( 2 - 1 ) o ra苏 其中，u = ，( p ，p u ，p v ，p e ) r f = ，( p z ，p u 2 - k ，p u v 一 f x r ，p e u 一 t j x x 甜一。v + 吼) r g = ，( p 1 ，p 甜1 ，一f 。，p 1 ，2 - - f r r pe ，- - f r x u - - e r r ，+ g ，) r h = ( 0 ，0 ，f 。，o ) r ， e = ( y 一1 ) 手+ ( “2 + v 2 ) 2 ，加v 、4o u k 2 叩一了唔+ 7 ) + j 夏， 2 ，o uv 、4o v 2 - p i 【- i + 一) + i 。i 3g rja r 2 ，锄o v 、4v 2 - p j + 万) + j ；， ，o uo v 、 o2 r 。= 【i + i ) q , = - k e 猡，q ，= - - ( 争o t j l l = j l l + r ，每咿= k l + 砖 其中，f - 时间，x 一轴向坐标：，- 一径向坐标，p 密度，p 压强，丁一温度，e 内能，甜一轴向速度，1 ，一径向速度，7 比热比，j l l 粘性系数，七一导热系数。 212 湍流槿型 第1 0 页 在动量方程和能量方程中，涉及剑湍流粘性系数j l l r ，它必须通过湍流模型求 得，这里采用工程上广泛应用的，c 一两方程湍流模型。由l a u n d e r 和s p a l d i n g 提 出的二方程，c s 模型是应用最广泛的一种湍流模型。基于b o u s s i n e s q 假设，雷诺 应力可表述如下【2 6 】： 掣，肾纵参+ 瓦o i j j j 一詈毛p ，c ( 2 - 2 ) 其中“为湍流粘度，在标准，c s 模型中j l l ，= p c - r 7 - ，式中k 为湍流动能项， s 为湍流动能耗散率，其计算式如下： p 鲁二毒睁+ 尝 善 + 瓯一胪一 c 2 柳 p 告= 毒l + 告) 毒 + c 。妻q c ：。p 譬，p r = 心p 等 c 2 川 其中q 表示由于平均速度梯度而导致的湍流动能的生成量，g 6 则为浮力影响 - , 9 致的湍流动能生成量，分别表述如下： q = p 而等 ( 2 - 5 ) 为了与b o u s s i n e s q 假设一致，g = 从s 2 其中： s = 4 2 s 口s u ， ( 2 - 6 ) 西= 去( 等+ 挈 ( 2 - 7 ) g 6 = 卢& 瓦p , 瓦o t ( 2 - 8 ) 其中p r 为湍流普朗特数，在标准k g 模型中为o 8 5 ，热膨胀系数卢为 卢= 一石1 ( 、a o p 丁，) p ( 2 9 ) 在标准k 一二方程模型中，可压缩影响以来描述： = 胪2 m 2 ( 2 1 0 ) 其中湍流马赫数m i 定义如下： 炉持 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 式中口为声速，口= , r r r 。 表2 1 标准k s 模型中各系数 c t ec 2 sc no k o b 2 1 3 近壁面处的处理 由l a u n d e r 和s p a l d i n g 2 4 】提出的标准壁面函数至今仍被广泛应用于工程计算 中，其基本思想是： ( 1 ) 假设在所计算问题的壁面附近除粘性底层以外的地区无量纲速度分布 服从对数分布规律，即： u = 二l i l ( 缈)( 2 11 ) 其中 u ：u p c 知：v r 2 ( 2 - 1 2 ) 气。| p y ：p c ：丝i c p y p( 2 - 1 3 ) p 其中y o n k a r m a n 常数k = 0 4 2 ，经验常数e = 9 8 1 ，j l l 为粘度，坼，唧分别为 节点p 处的平均速度及湍流动能，匕为节点p 与壁面的距离。 ( 2 ) 将第一个内节点布置到对数定律成立的范围以内，即布置到层流以外 的区域。 ( 3 ) 对于与壁面平行的流速，第一个内节点与壁面之间警戒的当量粘性系 数按下式【4 9 1 确定： “：_ y p l a( 2 1 4 ) pp 对于与固体壁面垂直的流速则取其固体表面的一阶法向导数为零。 ( 4 ) 对第一个内节点p 上的s 。按下式计算： 铲笠3 4 生3 2 ( 2 - 1 5 ) k y p ( 5 ) l c 方