在恒定的入口压力和质量流速下,火箭煤油流动换热的试验过程分两个阶段:①升热流密度阶段; ②恒热流密度、升入口流体温度。升热流阶段中,试验段入口保持常温,逐步升高试验段热流密度,直到热流密度升到预定值。升入口流体温度阶段中,保持试验段热流密度不变,逐渐升高预热段加热功率,提高试验段入口流体温度,从而获得恒热流密度、不同流体温度条件下火箭煤油的流动换热特性。
2.1 换热特性沿轴向变化趋势
火箭煤油流动换热壁温受到热流密度和流体温度的影响。图2(a)中热流密度从2.1 MW/m2逐渐增加到20.2 MW/m2,壁温持续大幅增加,从约200 ℃增加到750 ℃以上。热流密度对壁温产生显著影响。热流密度增加的同时,流体温度也增加。图2(b)中,试验段的热流密度不变,提高预热段热流密度,使试验段的入口流体温度从33.0 ℃逐渐增加到332.9 ℃。从图2可知:流体温度逐渐增加,壁温也有逐渐增加的趋势,只是在入口流体温度增加的初期,试验段入口区域壁温在逐渐降低,而试验段出口区域壁温没有增加或者增加较为缓慢。
图2 升热流和恒热流过程中外壁温沿轴向变化趋势
Fig.2 Profiles of external wall temperature during increasing heat flux and constant heat flux processes
壁面温度沿轴向的变化趋势较为复杂,在图2中,无论是升热流密度还是恒热流密度试验中,热流密度沿轴向几乎是恒定的,受壁面热损失的影响,热流密度沿轴向会有微小差异,但热损失带来的热流密度沿轴向的差异可忽略不计。从图2可知:①入口流体温度低于101.4 ℃条件下,虽然流体温度沿着轴向逐渐增加,但壁温沿轴向逐渐降低; ②入口流体温度大于101.4 ℃条件下,壁温沿轴向逐渐增加。从下文的分析可知,壁温沿轴向的变化趋势改变,并不意味着换热机制的变化,而是受到换热系数大小变化影响所致。
如图 3所示,换热系数受到热流密度和流体温度的影响。随着热流密度和流体温度增加,换热系数均匀地逐渐增加。因此,图 2(b)中壁温的特殊变化趋势并无换热规律的改变,而仅仅是换热系数增加所致。无论壁温沿着轴向是降低还是增加,换热系数沿着轴向都是逐渐增加的,即换热系数随流体温度的增加而增加。换热系数随流体温度的变化趋势主要受到雷诺数的影响。流体温度增加,黏度降低,雷诺数增加,换热系数增加。
图3 升热流和恒热流过程中换热系数沿轴向变化趋势
Fig.3 Profiles of heat transfer coefficient during increasing heat flux and constant heat flux processes
2.2 热流密度对换热性能的影响
在相同的轴向位置处,热流密度增加,流体温度也会增加。为了单独分析热流密度和流体温度的影响,图 4给出了以流体温度为横坐标,随热流密度增加,通道各截面处内壁温和换热系数的变化趋势。
从图4可知:①随着流体温度增加,换热系数逐渐增加,且换热系数的变化趋势与热流密度无关,除试验段入口的两个热电偶处。第一个和第二个热电偶处,热流密度大于10 MW/m2后,换热系数开始逐渐偏离换热曲线。受到入口效应的影响,换热系数大于相同流体温度的其他截面换热系数。热流密度越大,入口效应带来的换热系数增强越明显。②内壁温沿着轴向逐渐降低,在入口第一个热电偶处壁温最高,但从换热系数结果看,入口存在强化换热。由此可知,如果没有入口强化换热效果,入口热电偶处的壁温将更高。
热流密度变化对换热的影响,主要体现在流体温度上。热流密度增加,壁温增加,但在相同的流体温度下,换热系数几乎不变。
图4 升热流过程中换热特性随热流密度的变化趋势
Fig.4 Profiles of heat transfer for different heat fluxes during increasing heat flux processes
2.3 压力对换热特性的影响
火箭煤油在超高压力下主要为单相液态强制对流换热。图 5给出了升热流过程中,不同压力下(25~65 MPa)试验段的换热曲线随热流密度的变化趋势。从图5可知:不同压力下主流温度的变化曲线基本重合,内壁温变化趋势相同,但不同压力下的内壁温存在偏差。在相同热流密度下,壁温偏差在±30 ℃范围内,而对应换热系数的偏差在±3 kW/(m2·K)范围内,约10%。
图5 升热流密度过程中压力对换热特性的影响
Fig.5 Effect of pressure on heat transfer characteristics during increasing heat flux processes
文献[19-20]报道了火箭煤油在高压下的密度和黏度测量结果。由于压力变化范围宽广,密度和黏度都受到压力的影响,压力越大密度越小,而黏度越大。且温度越高,压力对密度和黏度的影响越大。由于在以上文献的热物性测量和本文的流动换热研究中,火箭煤油都处于液相状态,压力对密度和黏度等热物性参数的影响是连续的。但图5的换热特性受压力的影响,并无明显的连续变化趋势,且不同压力下换热系数的偏差与换热系数的测量不确定相当。因此,这里可以将不同压力下换热系数的偏差视为测量偏差,压力对换热系数的影响并不显著。
图6给出了恒热流密度过程中,不同压力下(25~65 MPa)各截面处换热曲线随流体温度的变化趋势。从图6可知,不同压力下的内壁温和换热系数随流体温度的变化趋势基本一致。但不同压力下,火箭煤油的换热系数存在一定偏差。 图6对应的内壁温曲线上不同压力下大约存在±50 ℃的偏差,换热系数曲线上存在约±10 kW/(m2·K)的偏差,相对偏差约15%。
图 6与图 5的内壁温和换热系数测量结果是一致的。随着压力增加,内壁温和换热系数并无明显的单调变化趋势。
图6 恒热流密度过程中压力对换热特性的影响
Fig.6 Effect of pressure on heat transfer characteristics during constant heat flux processes
2.4 质量流速对换热特性的影响
图7给出了压力40 MPa和热流密度10 MW/m2、不同质量流速条件下换热曲线随主流温度的变化趋势。随着质量流速增加,试验段内壁温降低,对应的换热系数增加。质量流速增加,对换热起到强化作用。质量流速34 000 kg/(m2·s)和51 000 kg/(m2·s)时,内壁温与流体温度已非常接近,高流体温度下的换热温差只有约50 ℃,换热系数迅速增加。质量流速对换热系数的影响主要受到雷诺数的影响。质量流速越高,雷诺数越大,换热系数越大。
图7 质量流速对换热性能的影响
Fig.7 Effect of mass flux on heat transfer characteristics