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].对超临界流体传热特性的研究发现, 超临界压力流体在加热的过程中会出现不稳定现象, 目前对不稳定的研究还处于机理探索的阶段[4-6].一些文献对超临界压力水在平行管中不稳定的研究指出[7-9], 增大压力和质量流率, 减小热流密度对传热稳定都是有利的.在超临界压力二氧化碳的传热研究中发现[10], 拟临界温度附近物性的变化对流动和传热有很大的影响.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[11-13].与超临界水和二氧化碳一样, 超临界压力下碳氢燃料在加热的过程中, 当热流密度增大到一定程度后, 会出现流动和传热的不稳定现象, 具体表现为温度和压力脉动明显, 管路剧烈波动, 同时伴随嘈杂声或呼啸声[14-16], 这就是超临界碳氢燃料的传热不稳定现象. Wang等[17-18]根据实验段压降及出口油温变化将超临界煤油传热分为传热稳定阶段初始传热不稳定阶段初始热声不稳定阶段及发展的热声不稳定阶段.对碳氢燃料在常压至6 MPa压力下的传热实验研究表明[19], 不稳定主要是近临界压力区碳氢燃料物性的剧烈变化, 壁面出现类似亚临界压力下的膜态沸腾导致的.
在以往超临界压力煤油传热不稳定研究中, 虽然观察到了油温压力的剧烈震荡, 但是对油温突然上升的解释并没有将壁温变化考虑在内, 对热声的产生和压降的变化也一般认为是密度波不稳定导致的流量随时间变化引起的.本文采用实验的手段, 对超临界压力下煤油在内径为1mm的竖直上升圆管中传热不稳定特性开展研究, 结合煤油物性变化壁温实验段压降及油温随时间的变化分析了超临界压力煤油传热不稳定机理, 探讨了不同实验参数对传热不稳定的影响.
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实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, 并由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.预热段和实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.预热段为内径2mm，外径6mm，长2m的不锈钢管，实验段为内径1mm，外径3mm，长300mm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实验段示意图.
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| 图 1 实验系统 Fig.1 Schematic diagram of experimental system |
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| 图 2 实验段及壁温测量 Fig.2 Schematic diagram of test section and temperature measurement |
实验主要测量煤油流量实验段进出口油温实验段沿管长壁温实验段压力及压降输出电流及电压.实验流量由Coriolis流量计测量, 所用流量计为天津斯密特精密仪器有限公司生产的DMF-1-1A型, 流量测量范围为0~11g/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0.5mm, 量程为0~1200℃, 测量精度±0.75%.油温热电偶通过直径2mm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0.08mm, 测量精度1.1K或0.4%.测量时先将热电偶的两根丝结球, 然后焊接到要测的管外壁.实验管内入出口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0~10MPa, 精度±0.1%.进行近临界压力区的不稳定性研究时, 实验管压差由麦克传感器有限公司生产的MDM490压阻式差压变送器进行测量, 量程为0~350kPa, 精度±0.25%.加载到实验管的电压电流均采用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.流动及传热计算中的数据主要来自于北京航空航天大学能源学院的实验结果[20-22]及美国国家标准局的supertrapp程序[23].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, 并在干烧下对实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, 1.7g/s, 加热热流密度为0.1~1.8MW/m2, 入口油温为20，110，150，200及250℃; 压力为2.5，3，3.5及4MPa.
2 不稳定现象及特性分析 2.1 不稳定现象对煤油在超临界压力下传热特性的实验研究发现, 当热流密度较大时, 会出现流动与传热的不稳定现象.不稳定发生时, 壁温油温会出现振荡, 同时伴随锤击啸叫等声响.
图 3为一组典型工况下煤油传热不稳定发生时出口油温及出口压力随时间的变化, 实验流量为1.2g/s, 入口油温为20℃, 压力为4MPa, 电加热热流密度为1.24MW/m2.从图中可以看出, 当不稳定发生时, 出口油温出现大幅振荡, 变化幅值高达55℃, 实验段压降幅值则高达30kPa.在整个实验中发现, 对该工况, 当热流密度达1.24 MW/m2及以上时, 这种压力和油温的振荡现象一直存在, 并且伴随声响, 同时整个实验管路还会发生机械振动.
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| 图 3 不稳定实验段出口油温压降随时间变化(1.2g/s, Tin=20℃, 4MPa, 1.24MW/m2) Fig.3 Outlet temperature and pressure drop as function of time at unstable state(1.2g/s, Tin=20℃, 4MPa, 1.24MW/m2) |
作为对比, 图 4给出了一组稳定工况时出口油温压力随时间的变化, 实验流量为1.2g/s, 入口油温为20℃, 压力同样为4MPa, 加热热流密度为1.09MW/m2.从图中可以看出, 出口油温的波动非常小, 在6℃以内, 出口压力的波动也非常小, 只有约2kPa.出口油温和压力的波动均比不稳定时低一个数量级.
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| 图 4 稳定时出口油温实验段压降随时间变化(1.2g/s, Tin=20℃, 4MPa, 1.09MW/m2) Fig.4 Outlet temperature and pressure drop as function of time at stable state (1.2g/s, Tin=20℃, 4MPa, 1.09MW/m2) |
不稳定发生时Coriolis流量计读数和出口流量测量均表明, 实验段进口和出口流量均无明显变化. 图 5为图 3中不稳定发生时24~32s期间部分测点壁温油温随时间的变化.从图 5不难发现, 壁温和出口油温的变化呈相反的规律，即在壁温下降时，出口油温迅速升高; 而在壁温上升时，出口油温先迅速下降至不稳定前的水平, 然后保持稳定, 直到下一次不稳定发生.壁温和出口油温的这种变化必然造成实验段不同位置处流动和传热系数随时间的变化:壁温下降出口油温上升的阶段Reynolds数和传热系数均增大，而在壁温上升出口油温下降并保持稳定时Reynolds数和传热系数均较小.
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| 图 5 不稳定时部分壁温和出口油温随时间变化(1.2g/s, Tin=20℃, 4MPa, 1.24MW/m2) Fig.5 Wall temperature and outlet temperature as function of time at unstable state (1.2g/s, Tin=20℃, 4MPa, 1.24MW/m2) |
为了分析超临界压力煤油传热不稳定实验段内流动和传热的变化, 必须对不同实验工况下管道壁温变化和出口油温的热平衡进行计算, 表 1给出了部分实验的计算结果.将实验段减少的热量考虑在内时, 不稳定发生的初始时刻出口油温急剧上升的理论计算结果与实测上升值非常接近, 这说明分析不稳定发生时流动与传热的变化必须将实验段壁温下降导致的热量减少考虑在内.
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下载CSV 表 1 不稳定时管道壁温变化与出口油温变化热平衡计算 Tab.1 Heat balance of wall temperature and outlet temperature |
将实验段壁温下降减少的热量考虑在内, 对流量为1.2g/s, 入口油温为20℃, 压力为4MPa下不稳定时油温稳定阶段和油温迅速上升阶段的流速和Reynolds数热流密度和传热系数沿实验段的变化进行计算, 所得结果分别如图 6(a)和(b)所示.从图 6(a)中可以看出, 出口油温迅速上升阶段流速和Reynolds数均比出口油温稳定时要高, 且沿实验段方向二者差别逐渐增大, 这说明不稳定加大了流动的湍流强度.不稳定时实验段出口流速(4.7m/s)比稳定时(3.3m/s)快1.4m/s, 局部流速的急剧增加会在管道内形成冲击, 导致压力脉动, 在管道内部产生声音.从图 6(b)中可以发现, 不稳定发生时, 出口油温迅速上升阶段壁面热流密度和传热系数均比出口油温稳定时高出很多, 说明不稳定发生时实验段内传热得到强化.
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| 图 6 不稳定时流动和传热变化(1.2g/s, Tin=20℃, 4MPa) Fig.6 Flow and heat transfer changes of instability(1.2g/s, Tin=20℃, 4MPa) |
对不同实验工况, 不稳定发生的起始热流密度不一样, 且当入口温度升高到一定程度时, 实验中无明显不稳定现象.因此, 必须对不同实验参数下不稳定的起始热流密度开展研究, 为进一步的研究打下基础.
为了研究不稳定发生时的初始热流密度, 首先要对不稳定发生时壁温油温和煤油在实验段径向的温度和物性分布展开分析, 理解不稳定发生的必要条件.以上文质量流量为1.2g/s, 压力为4MPa, 入口油温为20℃为例进行初步分析. 4MPa压力下煤油的拟临界温度约为428.12℃(701.27K[18]).从图 5可以看出, 稳定阶段出口油温比拟临界温度约低70℃, 不稳定时出口油温的峰值也未达到拟临界温度, 这表明整个实验段内主流油温均在拟临界以下; 而整个实验阶段壁温均比拟临界温度高出60~220℃.壁温远高于拟临界温度, 而主流温度均在拟临界以下, 这说明不稳定发生时实验段内拟临界温度附近的流体已经占到一定比例.拟临界温度附近的这些流体物性会随温度的变化发生剧烈的变化, 进而对超临界流体的流动和传热特性带来较大影响.同时, 不稳定时近壁面流体温度远高于主流温度, 流体在径向的温度梯度很大, 流体径向层与层之间物性流动和传热能力差异较大.
3.1 压力影响图 7给出了不同入口油温下压力对不稳定起始热流密度的影响及不同质量流量下压力对不稳定起始热流密度的影响. 图 7(a)中入口油温为150℃压力为4MPa的实验工况下并没有发生不稳定, 故没有对应的不稳定起始热流密度.从图 7可以看出不同质量流量和入口油温下不稳定发生的起始热流密度随实验压力的变化呈相同的规律, 即压力越高, 不稳定发生的起始热流密度越高.从上文不稳定发生时壁温和油温随时间变化及流动和传热特性的变化可以发现, 不稳定时壁温远高于拟临界温度, 实验段内拟临界温度附近流体占到一定比例, 流动和传热均发生了较大变化.煤油压力越大, 对应的拟临界温度越高, 因此在流量或入口油温相同的情况下, 实验段壁温升高到拟临界温度以上, 发生不稳定所需的热流密度也越高.
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| 图 7 压力对不稳定初始热流密度的影响 Fig.7 Effects of pressure on instability heat flux |
图 8(a)和(b)分别给出了不同入口油温下流量对不稳定起始热流密度的影响及不同压力下流量对不稳定起始热流密度的影响.从图 8可以看出, 不同压力和入口油温下不稳定发生的起始热流密度均随实验流量的增加而增大.由于不稳定时壁温远高于拟临界温度, 且实验段内拟临界温度附近流体占到一定比例.流量越大, 流动湍流度越大, 实验段内换热能力越强, 实验段壁温升高到高于拟临界温度所需的热量也越大.因此流量增大时, 对应的不稳定起始热流密度也越高.
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| 图 8 质量流量对不稳定初始热流密度影响 Fig.8 Effects of mass flow rate on instability heat flux |
图 9(a)和(b)分别给出了不同质量流量下入口油温对不稳定起始热流密度的影响及不同压力下入口油温对不稳定起始热流密度的影响.从图 9可以看出, 入口油温越高, 不稳定发生的起始热流密度越小.由于不稳定时壁温远高于拟临界温度, 且实验段内拟临界温度附近流体占到一定比例.入口油温越高, 壁温升高到远高于拟临界温度实验段内拟临界温度附近流体达到一定比例所需的热量越少, 故不稳定发生的起始热流密度也越小.
实验发现, 当入口油温高于200℃时, 并没有出现明显不稳定现象, 这主要是因为入口油温越大, 流动湍流度越大, 换热能力越强.例如, 在质量流量为1.2g/s, 入口油温为200℃的实验条件下, 入口Reynolds数已高达8000以上, 接近充分发展的湍流, 实验段内传热系数很高, 壁温始终维持在较低水平; 继续增加热流密度, 出口油温已经高于拟临界温度, 但是依然没有出现不稳定.
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| 图 9 入口油温对不稳定初始热流密度影响 Fig.9 Effects of inlet temperature on instability heat flux |
本文对超临界压力航空煤油在竖直上升微细圆管内传热不稳定性进行了实验研究和分析, 主要结论如下:
(1) 不稳定发生时, 实验段本身的热量被煤油吸收, 壁温明显下降, 热流密度和传热系数均增大, 实验段流速Reynolds数和出口油温迅速增加.
(2) 压力与不稳定发生的起始热流密度并不是简单的线性关系, 总的说来, 不稳定发生的起始热流密度随实验压力的升高而增大.
(3) 不稳定发生的起始热流密度和流量成正相关的关系, 即流量越大, 对应的不稳定起始热流密度也越大.
(4) 随着入口油温的升高, 将煤油加热至不稳定所需的热流密度减小; 当入口油温高到一定程度时, 不发生不稳定.
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