【摘 要】
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论文采用实验研究与理论分析的方法,面向液体火箭发动机再生冷却,围绕微小通道内的相变传热过程开展研究。论文发现了微小通道相变传热的三种压力振荡类型,阐明了水相变传热过程中泡状/环状周期性变化的流型与振荡频率之间的内在关系;揭示了液氮在微小通道中亚临界压力下的相变传热机理,提出了基于实验数据的相变传热修正关系式,阐明了液氮低温系统管路中的自维持振荡是一种热力型不稳定流动现象;建立了亚临界相变传热一维计
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论文采用实验研究与理论分析的方法,面向液体火箭发动机再生冷却,围绕微小通道内的相变传热过程开展研究。论文发现了微小通道相变传热的三种压力振荡类型,阐明了水相变传热过程中泡状/环状周期性变化的流型与振荡频率之间的内在关系;揭示了液氮在微小通道中亚临界压力下的相变传热机理,提出了基于实验数据的相变传热修正关系式,阐明了液氮低温系统管路中的自维持振荡是一种热力型不稳定流动现象;建立了亚临界相变传热一维计算模型,提出了考虑亚临界相变传热过程的再生冷却通道传热计算方法。基于流型分析研究了微小通道中水的相变流动传热特性和机理,确定了微小通道相变传热的三种压力振荡类型,即低频振荡（f<2.0 Hz）,中频振荡（2.0 Hz<f<10.0 Hz）以及高频振荡（f>10.0 Hz）。在低频振荡过程中发现了周期性的蒸汽弹射现象,分析认为泡状/环状流的周期性流型转变是引起周期性蒸汽弹射现象的原因。在周期性蒸汽弹射过程中,压降和壁面温度具有相似的振荡周期,这种一致性反映了泡状/环状流周期性流型转变对壁面温度和压降振荡的影响。中频振荡和高频振荡与不同周期的拉长气泡的通过有关。在中/高频波动的复合振荡中,压降振荡的振幅较低,并且在壁面温度与压降曲线之间没有发现同步振荡。针对较高亚临界压力下单个垂直小通道中液氮的相变传热特性开展实验研究,讨论并分析了热流密度、密流和入口压力对沸腾曲线和局部换热系数的影响。对比发现,入口压力的增加在很宽的干度范围内提高了局部换热系数,直到局部蒸干的出现。在较高的入口压力下,液氮较低的表面张力和较低的蒸发潜热强化了核态沸腾对传热的贡献。但同时入口压力的增加也会导致较早出现局部蒸干,其原因与较高入口压力条件下液氮具有更低的表面张力,从而引起环状流液膜的不稳定有关。在选择的五个实验关系式中,Klimenko和Tran关系式具有更好的预测精度。综合考虑核态沸腾和局部蒸干两种主导传热机理,在Tran关系式的基础上提出了液氮在微小通道中亚临界压力下相变传热的修正实验关系式（MAE=19.3%）。针对微小通道低温实验系统管路在调试时出现的流动不稳定现象开展分析,阐明了低温系统管路中流动不稳定的机理。分析认为液氮在系统管路中的不稳定流动是一种热力型不稳定。它由液氮在蒸发段中周期性出现的膜态沸腾触发,产生的大量气体影响到管路的流量和压降,当管路中的液氮流量、压降和热流密度满足一定的相位关系,上述过程会重复进行,形成自持振荡。发现在实验段前置文氏管能够有效抑制来自下游蒸发盘管的压力振荡。由于文氏管安装在实验段之前,液氮储箱之后,一旦文氏管中出现气蚀,可以有效抑制下游压力扰动的传播,使得液氮储箱压力与文氏管前压力的差值基本保持恒定,从而保证了实验管路中流量是恒定的,可以有效抑制蒸发盘管中的压力和流量不稳定。针对液氧/甲烷膨胀循环变推力液体火箭发动机低工况下冷却能力不足的问题,以燃烧室室压和冷却剂流量为变量,评估了燃气侧壁面热流并计算了冷却剂温升,获得了不同冷却方案对冷却剂温升的影响规律;建立了亚临界相变传热一维计算模型,提出了考虑亚临界相变传热过程的再生冷却通道传热计算方法,详细研究了亚临界压力下冷却通道高宽比、变工况尤其是低工况条件下室压/流量对冷却通道传热特性的影响。发现增加冷却通道的高宽比可以降低燃气侧壁面最高温度,在一定程度上有利于推力室壁面的再生冷却;燃气侧最高壁温随着室压/流量的增加而降低。由于低工况下甲烷流量减小导致冷却能力下降,因此在低工况下需要考虑膜冷却、辐射冷却等其他冷却方式。
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