浮升力對加熱螺旋管內超臨界CO2換熱影響的數值分析.pdf

1、隨著大功率的電子設備在航空和軍事領域的廣泛應用，人們對環境控制系統提出了更高的要求。而溫度控制對飛行器、航空設備及航空工作人員是至關重要的技術之一。由于航空器在實際中遭受到超重力和微重力的影響，因此研究者對超重力或微重力換熱的研究越來越關注。
　　目前，對超重力或微重力條件下的換熱實驗和模擬研究多集中于兩相流換熱過程。超臨界流體如航空煤油、CO2、H2O，N2等在超重力和微重力條件下換熱特性鮮有報道。在超重力或微重力的環境下，由于

2、重力環境的不同導致浮升力的劇烈變化是影響流體換熱特性改變的主要因素。由于地球表面上實驗條件的限制無法實現非重力條件的實驗研究，因此，本文采用數值模擬的方法探索在非正常重力條件下，浮升力對超臨界CO2在螺旋管中換熱影響特性和機理。
　　在超重條件下，相當于抑制了離心力因素的干擾，凸顯了浮升力本質特征，而在失重條件下，浮升力作用非常小，凸顯了離心力的作用。另外，在航空器的飛行方向不是固定的。因此，本文通過采用不同流動方向和超重力或微重

3、力的方式，對超臨界CO2在螺旋管中的換熱開展研究理論研究。
　　在本課題研究中，我們應用兩種不同幾何模型的螺旋管，針對加熱條件下流體在螺旋管中的研究現狀，通過湍流模型的對比最終選取重整化群 RNG k模型，并應用此模型與現有的實驗數據進行對比，發現模擬結果和實驗結果的平均偏差為0.27％。
　　首先，采用改變流向的方法對水平和豎直流動方向螺旋管內的換熱進行數值模擬，探知浮升力對流體換熱的影響與流動方向之間的相互關系。研究了質

4、量流率、進口壓力、熱通量以及不同流向對超臨界 CO2換熱和壓降的影響，并進一步分析變物性、浮升力和離心力在不同流動方向上對螺旋管中換熱的耦合作用。
　　然后，研究了在豎直流動方向和水平流動方向上不同重力對超臨界 CO2換熱和壓降的影響，通過分析截面二次流動的形態剖析浮升力與離心力的耦合作用對換熱影響的機理。研究發現：重力分別為0.5g、g和2g的換熱系數隨著重力的增加，在準臨界溫度之前的換熱系數也相應增加，并且在準臨界溫度處換熱系