基于火箭燃烧室模型的发汗冷却数值模拟.doc

中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号:123579基于火箭燃烧室模型的发汗冷却数值模拟吴晓敏*,余海涛,胡珊,姜培学,王维城(清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室,北京市CO2资源利用与减排技术重点实验室,北京100084)(Tel:(010)6277-3413,Email:******@.)摘要本文利用Fluent,对简化的火箭燃烧室模型中的发汗冷却进行数值模拟,考察水流过充满铜珠多孔介质圆筒内壁时的沸腾换热现象,分析冷却剂注入速度、多孔介质层厚度以及冷却剂注入方式等对发汗冷却的影响。结果表明,注入流速越大或多孔介质层厚度越大,冷却效果越好,但随着注入流速的增加,内壁温度减小的幅值越小;相同流量端部或中部注入时,主要影响温度分布,后者的温度梯度更大;端部和侧面同时注入时,侧面注入孔位置对温度分布有较大影响。关键词发汗冷却;沸腾换热;数值模拟0前言火箭发动机燃烧室内的燃气温度能够高达3000K以上,为保证设备的安全性,需要有效的冷却方式,相变发汗冷却便是其中一种。冷却剂被注入多孔介质,并在其内部流动,在靠近壁面的地方被高温燃气加热发生相变蒸发并带走热量,从而冷却壁面。多孔介质中的沸腾相变十分复杂,此类研究目前很少。吴等[1]通过数值模拟的方法对火箭燃烧室模型内的相变发汗冷却进行研究,探讨了在重力角度,以及无重力条件下多孔介质导热系数以及存在内部缺陷时对多孔介质中沸腾换热的影响。本文将在此基础上,建立三维数值模拟模型,分析冷却剂注入流速大小、多孔介质层厚度以及冷却剂注入方式等对火箭燃烧室模型内相变发汗冷却的影响。,模型由两个环状圆筒组成,其中内部(R2-R1)为多孔介质区,材料为铜,,,作为发汗冷却的主体;外部(R3-R2)为固体外壁区,材料为钢,以下简称外层。整个模型的长度L为80mm,R2取25mm,R3取30mm,R1的大小不定,以体现多孔介质层厚度的变化。边界条件为:速度入口、自由出流、多基金项目:国家自然科学基金重点基金项目()孔介质区内壁面为恒热流密度120kW/m2,其余壁面为绝热壁面。冷却剂为水,且不考虑重力。2主要UDF模型由于发汗冷却过程中具有流体的相变,因此此处采用Lee传质模型[2]。关系如下:(2-1)(2-2)其中和分别为单位时间单位体积内气相和液相的质量传递速率,和分别为气相和液相的体积分数,为流体的饱和温度,和分别为气相和液相的时间松弛系数,。以上的表达式作为两相模型中气相和液相的质量源项引入到对应的体积比例方程中。同时,还需要考虑传质过程中的相变潜热,故还需要在能量方程源项中引入表征相变过程所传递的能量:(2-3)其中为汽化潜热。同时,还考虑了多孔介质的渗透系数以及多孔介质内部阻力因子。对于渗透系数,采用Ergun修正公式表达的第一渗透系数[3]:(2-4)对于内部阻力,其表达式如下[3]:(2-5)根据以上公式编写UDF程序进行计算。。其中入口方向均为-Z方向。可以看出,在各注入流速下,入口处温度最低,尾部温度最高,中间部分温度介于二者之间,