超临界流体在电站锅炉水冷壁核反应堆火箭推进主动冷却系统及超燃冲压发动机再生冷却系统等领域有着广泛的运用[1-3].对超临界压力下水的传热的研究结果[4]表明, 超临界压力下水的传热特性可以归纳为3种模式, 即正常传热传热恶化和传热强化; 在流量小而热流密度较高时容易出现传热恶化[5].对超临界压力下二氧化碳的传热特性的研究表明, 其和超临界压力下水的传热特性具有相似性[6-7].由于碳氢燃料在超燃冲压发动机中的应用前景, 超临界压力下碳氢燃料的传热特性越来越受到关注[8].由于碳氢燃料一般为成分复杂的混合物, 目前对超临界压力碳氢燃料的传热研究主要以实验为主[9-11].对超临界煤油在微细圆管中竖直向下流动的传热恶化与热加速性特性的实验研究[12]发现, 入口段传热恶化是由边界层的发展引起的, 当入口Reynolds数增加到10000以上时, 入口端的传热恶化消失.对正癸烷的实验研究[13]则表明, 入口Reynolds数较高时浮升力和热加速性对传热影响不明显, 而入口Reynolds数较低时浮升力会降低向上流动的传热系数.
随着计算机性能的提高和计算流体力学的发展, 不少学者采用数值模拟的方法对超临界压力下碳氢燃料的流动和传热特性进行了研究，并和实验结果进行了对比[14-15].对超临界航空煤油传热特性和流动阻力的数值仿真[16]指出, 传热恶化是由物性在拟临界温度附近的剧烈变化引起的; 对10组分替代的超临界航空煤油和正庚烷在加热圆管中的湍流传热数值模拟也得到了相同的结果[17]. Feng等[18]在考虑裂解的情况下, 对超临界碳氢燃料的传热流动特性的二维数值模拟发现, 近壁面流体温度较高, 发生了裂解反应, 裂解反应的化学热沉使得壁面温度与没有裂解时相比会降低, 传热系数有很大提高.然而, 以上对超临界压力煤油传热特性的研究都较少考虑主流温度和近壁面流体温度分布导致的径向物性变化对传热的影响.本文采用实验的方法, 对航空煤油在内径1 mm，外径3 mm的竖直上升圆管中的传热特性进行了研究, 分析了不同质量流量热流密度压力下传热系数随局部油温的变化, 并对超临界煤油的传热机理进行了探讨.
1 实验装置及设备实验系统由煤油供应系统电加热系统预热段及试验段测控系统等组成.实验前先将煤油抽到储瓶内, 实验时煤油由高压压出, 通过针型阀对流量进行控制和调节.在储瓶和预热段之间安装Coriolis流量计对流量进行测量.预热段和试验段均采用电加热的方式, 即直接将电流加载到钢管上利用实验管本身的电阻产生热量, 通过调节输出电流的大小就可以得到不同的热流密度.预热段为内径2 mm, 外径6 mm, 长2 m的不锈钢管，试验段为内径1 mm, 外径3 mm, 长300 mm的不锈钢管.实验压力由出口背压阀进行控制. 图 1和图 2分别给出了实验系统和试验段示意图.
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| 图 1 实验系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental system |
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| 图 2 试验段及壁温测量示意图 Fig.2 Schematic diagram of the test section and temperature measurement |
实验主要测量煤油流量试验段进出口油温试验段沿管长壁温试验压力输出电流及电压.实验流量由Coriolis流量计测量, 流量测量范围为0~11 g/s, 测量精度±0.2%.油温测量采用沈阳中色测温的K型铠装热电偶, 丝直径为0.5 mm, 量程为0~1200 ℃, 测量精度0.75%.油温热电偶通过直径2 mm的卡套连接到四通, 实现密封.壁温测量采用美国欧米伽公司生产的K型热电偶, 丝直径为0.08 mm, 测量精度1.1 K或0.4%.测量前将热电偶的两根丝结球, 然后焊接到要测的管外壁.试验段压力由麦克传感器有限公司生产的MPM480压阻式压力变送器进行测量, 量程为0~10 MPa, 精度±0.1%.加载到试验段的电压电流均采用1级精度的仪表进行测量, 并由电加热控制柜上的显示模块读取.流动及传热计算中数据主要来自于北航能源学院的实验结果[19-21]及美国国家标准局的supertrapp程序[22].实验前对热电偶的测量精度及壁温测量的均匀性进行了检验, 并在干烧下对试验段电阻率和散热进行了标定.
实验参数:质量流量为0.7, 1.2, 1.7 g/s; 热流密度为0.06~1 MW/m2; 试验压力分别为2.5，3，3.5及4 MPa.
2 不同参数对传热的影响在超临界流体传热特性的研究中, 一般以局部传热系数随流体温度的变化来研究不同试验参数对传热系数的影响.通过对比不同参数下传热系数随油温的变化探讨质量流量(流速)热流密度和压力对超临界压力煤油传热的影响.
2.1 流量对传热的影响在压力为3 MPa, 恒热流密度为0.5 MW/m2的条件下, 通过改变质量流量为0.7，1.2，1.7 g/s, 研究了质量流量下超临界压力煤油的传热特性. 图 3为不同质量流量下传热系数随主流油温的变化.
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| 图 3 不同质量流量下传热系数随主流油温的变化(3 MPa, 0.5 MW/m2) Fig.3 Heat transfer coefficients of the bulk temperatures at different mass flow rates(3 MPa, 0.5 MW/m2) |
从图中可以看出, 传热系数(heat transfer coefficient, HTC)基本随流量的增加而增大, 同一主流油温下, 流量越大，传热系数越高.质量流量通过影响湍流度边界层厚度等来影响换热效果.超临界煤油传热类似于单相流, 传热特性主要受物性和流动状态的影响; 对单相强制对流, 流速越大, 传热系数越高.但是对流量1.2和1.7 g/s而言, 在主流温度570 K以后，流量1.2 g/s对应的传热系数要高于1.7 g/s对应的传热系数, 这主要是由于主流高于570 K后, 流量1.2和1.7 g/s的Reynolds数分别达18000及25500以上, 均为充分发展的湍流, 此时流动状态对传热的影响基本相同, 而油温在径向的分布梯度及近壁面流体物性变化将更多主导传热. 1.2 g/s对应的流速较小, 主流和近壁面流体温度梯度较小, 近壁面流体温度较低, 在拟临界温度附近, 物性变化有利于传热; 而1.7 g/s流速大, 主流和近壁面流体温度梯度较大, 近壁面流体温度较高已经跨过拟临界温度, 物性变化不利于传热, 因而此温度区间流量1.2 g/s传热系数反而比1.7 g/s要高.
2.2 热流密度对传热的影响图 4给出了质量流量为1.2 g/s，压力为3 MPa实验条件下, 不同热流密度下局部传热系数随主流油温变化的特性.
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| 图 4 不同热流密度下传热系数随主流油温的变化(1.2 g/s, 3 MPa) Fig.4 Heat transfer coefficients of the bulk temperatures at different heat fluxes(1.2 g/s, 3 MPa) |
从图中可以看出, 在不同热流密度下, 传热系数随油温的变化呈现出相同的趋势:在主流油温300~420 K的范围内, 传热系数随油温的变化很小; 而在主流油温达到420 K以后, 传热系数随油温的升高迅速增加; 主流油温达到550~600 K后, 传热系数随油温的升高而下降.煤油在超临界压力下不存在相变, 因此所有实验均可以认为是单相强制对流换热.对单相强制对流换热而言, 影响传热系数的主要是物性流道属性和流动状态, 热流密度的影响非常小.因此3个不同热流密度下传热系数随主流油温变化基本一致.
2.3 压力对传热的影响对质量流量为1.2 g/s, 恒热流密度为0.5 MW/m2, 通过改变压力为2.5, 3, 3.5和4 MPa, 研究了不同压力下超临界压力煤油的传热特性. 图 5为不同压力下传热系数随主流油温的变化示意图.
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| 图 5 不同压力下传热系数随主流油温的变化(1.2 g/s, 0.5 MW/m2) Fig.5 Heat transfer coefficients of the bulk temperatures at different pressures(1.2 g/s, 0.5 MW/m2) |
从图中可以看出, 不同压力下传热系数随油温变化的趋势基本相同:在油温低于440 K时, 传热系数随油温的变化均很小; 而在油温高于440 K以后, 传热系数随油温的升高迅速增加; 油温达到一定程度后, 传热系数随油温的升高而下降.对不同油温区间传热系数随压力变化的对比表明, 在油温低于440 K时, 传热系数随压力的升高略有降低; 在油温高于570 K传热系数随油温升高而减小的温度区域, 3.5 MPa压力下的传热系数最高, 而且传热系数随油温下降对应的起始温度也最高.
图 6给出了不同压力下煤油物性随温度的变化曲线.从各个压力下物性随温度的变化可以看出, 当温度低于640 K, 煤油在不同压力下物性的差别非常小, 而当温度高于640 K以后, 除黏性以外其他3个参数开始出现差别, 这主要是由于不同超临界压力对应的拟临界温度不同.压力越低, 对应的拟临界温度越低, 因此2.5 MPa压力下的煤油最先进入超临界态, 在拟临界温度650 K附近物性开始发生剧烈的变化, 温度继续升高后, 3，3.5和4 MPa压力下的煤油相继跨越拟临界温度并且物性在拟临界温度附近剧烈变化.在实验中, 当主流温度达到530K以上时, 各个压力下近壁面煤油温度开始达到并跨过拟临界温度, 不同压力下拟临界温度附近物性的差别使得此温度区间传热系数开始出现差异, 且传热系数峰值和传热系数随温度下降的起始点也各不相同.
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| 图 6 不同压力下煤油物性随温度的变化 Fig.6 Thermophysical properties of kerosene at different pressures |
从图 5中传热系数随油温变化的曲线可以发现, 超临界压力煤油传热大致可分为3个不同的传热区域.第1个区域为主流温度300~440 K的范围, 在这一区域，传热系数随温度的变化不大, 这一区域称为正常传热区.第2个区域为主流温度440~590 K的范围, 在这一区域，煤油传热系数随油温的增加而迅速上升, 这一区域称为传热强化区.第3个区域为主流温度590 K以上的区域, 当油温处于这一区域时, 传热系数随油温的增加而减小, 这一区域称为传热恶化区.由于各个压力下传热系数随油温的变化趋势基本相同, 以图 5中3 MPa压力为例, 对各个传热区域的传热机理进行分析.
3.1 正常传热从图 6煤油物性随温度的变化可以看出, 在正常传热区, 物性参数基本呈线性变化.其中, 密度黏性热传导系数都随油温增大而减小, 比热随油温增大而增大.密度ρ减小意味着流速增大, 将有利于传热; 比热Cp增大, 代表吸热能力增大, 也有利于传热; 黏性η减小将使得流体微团之间的动量与热量交换过程更剧烈, 也有利于吸热; 热传导系数λ减小, 意味着煤油内部热流传导的能力变弱, 不利于传热.4个参数中，热传导系数λ的变化是不利于传热的, 其余3个参数的变化均能起到促进传热的作用.其次, 从热扩散率的变化分析, 主流煤油从300K加热至440K时, 热扩散率α(定义为λ/ρCp)减小为原来的80%.热扩散率减小表明流体内部热流扩散的能力减弱, 流体层与层之间的温度梯度增大, 传热系数难以较大幅度增长.
从流动状态上分析, 从300K至440K, 黏性系数从1040μPa·s减小到了220μPa·s, Reynolds数从1500增大到6800.尽管Reynolds数有了较大增长, 但流动仍为过渡流.当流动为层流和过渡流时, 湍流脉动比较微弱, 流体层与层, 微团与微团之间的动量热量交换都较弱, 因此传热系数较低.
综上, 物性和流动状态综合作用, 使得煤油在正常传热区传热系数基本保持不变.
3.2 传热强化在传热强化区, 传热系数明显高于正常传热区, 且传热系数随油温的增加而迅速增大.
从物性的变化可以看出, 传热强化区对应的主流温度虽然还没有达到拟临界温度附近, 但是实验对壁温的测量和计算表明, 传热强化发生时内壁温已经达到或者超过拟临界温度, 这表明近壁面流体温度处于拟临界温度附近.近壁面流体的物性变化很剧烈, 主要体现在随温度升高比热Cp迅速增大又急剧减小, 而密度ρ和黏性μ迅速下降.对流动状态的分析则表明, 在传热强化区域, 主流和近壁面流速和Reynolds数均增大:在主流油温从400 K到590 K的传热强化温度区间, Reynolds数从6800增大到20000, 管内流动由过渡流发展为充分的湍流, 流动状态的变化使得流体微团之间的湍流掺混增强, 换热能力大大提高.
综上所述, 传热强化主要是流动状态的变化导致的湍流掺混增强和近壁面流体在拟临界温度附近物性的剧烈变化综合作用的结果.
3.3 传热恶化从图 5可以看到, 当主流煤油温度达到590 K以后, 传热系数开始随主流油温的增加而减小.
分析这一阶段的物性变化可知, 在主流煤油从590 K至试验所达到的最高温度670 K之间, 密度随油温的升高开始迅速下降, 而比热随油温升高增加得更快, 黏性随温度升高下降的速率减小, 热传导系数随油温下降, 且下降的速率保持不变; 主流的热扩散率λ/ρCp增大, 热扩散率增大表明流体内部热扩散能力增强, 将使得传热能力增强.对传热恶化区流动状态的分析则表明, 传热恶化区由于油温已经很高, 对应的密度和黏性都较小且流速增大, Reynolds数已经达到10000以上, 流动为充分发展的湍流, 传热应该得到强化.物性和流动状态都不是造成传热恶化的原因, 这说明是其他因素导致了传热恶化.
有学者提出, 虽然超临界压力下没有明显的相变过程, 但是也会发生与亚临界压力相类似的“沸腾”现象, 称为“拟沸腾”[23-24].这种观点认为, 超临界压力下流体传热恶化与亚临界压力下的传热恶化类似, 传热恶化是由“拟膜态沸腾”导致的.对本文实验传热恶化发生时壁温的测量表明, 在传热恶化区, 内壁温已经高达820~870 K, 远高于拟临界温度, 近壁面流体薄层内煤油温度和内壁温接近, 而对应的主流温度还未达到拟临界温度.近壁面流体密度远低于主流密度, 可以将近壁面密度和黏性均很低的薄层流体看作一层气膜, 即在壁面附近发生了“拟膜态沸腾”, 导致壁面传热系数急剧下降, 造成传热恶化.
4 结论通过开展实验研究, 对超临界压力煤油在微细通道内的传热特性进行了认识和分析, 主要结论如下:
(1) 超临界压力下煤油传热主要由自身物性和流动状态决定, 比热和导热系数越大黏性越小流速越快, 对流换热能力越强;
(2) 根据传热系数随局部油温的变化可以将煤油传热分为3个区域, 即正常传热区传热强化区和传热恶化区;
(3) 传热强化主要是流动状态的变化导致的湍流掺混增强和近壁面流体在拟临界温度附近物性的剧烈变化综合作用的结果;
(4) 传热恶化是由壁温的急剧上升, 壁面附近发生了类似亚临界压力下的“拟膜态沸腾”导致的.
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