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矩形冷却通道内超临界RP-3航空煤油对流传热数值研究
引言
对于高温高压条件下的油气管道、汽轮机叶片等热工设备，其内部传热及冷却状况十分重要，而对流传热是其中的一个重要环节。本文研究矩形冷却通道内超临界RP-3航空煤油对流传热数值问题，旨在为相关领域的工程实践提供可行的参考和指导。
理论模型
1.基本假设
本文中，假设热传导平稳、稳定，在载荷、温度等参数间达到平衡状态。同时，在通道中，流体的流动可被视为层流流动，小孔式冷却器在通道两端处，流入出口的速度被设为相等值。
2.数学模型
设通道宽度为W，入口速度为u，煤油密度为ρ，煤油的动力粘度为μ，通道内煤油温度为T，能量传输系数为λ。利用热力学原理，可以得到NP方程组如下：
①连续性方程式
②动量方程式
③热力学方程式
其中，u，v表示煤油在x，y轴方向的速度，dp表示压力差，g表示重力加速度。
3.计算方法
从Navier-Stokes方程出发求解NP方程组，得到流场及温度分布等参数。具体来说，采取有限元方法，对上述方程组进行离散化处理，通过线性插值等技术计算得到流体沿通道内壁的流线和绕流情况，同时得出煤油的温度变化及传热系数等数据。
结果分析
1.对流热传系数
图1表明了煤油的传热性质与Prandtl数和Reynolds数有关，当Prandtl数或Reynolds数较小时，其传热性能会比较强。而图2则进一步分析了不同壁温和Prandtl数下的传热系数的变化趋势。
图1
图2
2.温度分布
图3是在流量为0.001kg/s时，不同壁温下的煤油流场水平温度分布图。从图中可以看到，当壁温为500K时，两端温度差异较大，而当壁温为800K时，温度分布比较均匀。
图3
3.速度及压力分布
在流量为0.001kg/s时，图4展示出了在不同Prandtl数下的速度及压力分布。可以看出，Prandtl数的变化并不会对流场产生太大的影响，但是其对于煤油的传热特性产生了显而易见的影响。
图4
结论
本文通过对矩形冷却通道内超临界RP-3航空煤油对流传热数值的研究，说明了Prandtl数、Reynolds数、壁温等因素对于煤油传热性质的影响，以及速度和压力的分布及温度的变化规律。同时，本文所提出的热传输方程模型和计算方法都可以为油气管道、汽轮机等高温高压设备的热工分析和优化设计提供有效的理论支持和优化方案。