小通道内碳氢化合物极限热流密度实验研究

超临界流体传热是指流体在超临界压力下从拟临界温度以下被加热到温度高于拟临界温度以上过程中的热量传输过程。从20世纪50年代开始,超临界水动力循环、超临界CO

布雷顿循环、超临界水氧化技术以及超临界萃取、超临界微粒化等技术的迅速发展,吸引国内外学者开展了有关管内超临界流体传热性能的广泛研究。

由于流体在超临界压力各状态之间转换没有汽化潜热的吸放热过程,超临界压力流体传热常被视为变物性单相流体对流传热

,超临界压力流体的传热特性规律由拟临界温度区间热物性参数改变所主导。Swenson在圆管超临界水传热实验中发现,当管内流体位于大比热区(比定压热容

>8 kJ/(kg·K))时将出现显著传热强化现象

。Yamagata等证实了传热强化机制与拟临界区间比热峰值之间的相关性

。陈听宽等研究了不同管型与工况条件下超临界水流动传热过程,总结了管内传热特性的影响因素,阐述了传热强化作用机理

。Shitsman等分析了正常传热、传热强化与传热恶化等过程,提出以热流密度与质量流速比作为判别传热恶化的指标

。李虹波等研究了超临界水在不同管道内的传热特性,指出当热流密度与质量流速比较大时,流体温度低于拟临界温度即发生传热恶化现象

。在超临界CO

传热研究过程中,Jackson团队揭示了浮升力与热加速对于传热过程的影响机理,指出热流密度与质量流速比存在影响壁温飞升的临界值

。Kim等对比了超临界CO

在竖直向上和向下流动中的传热特性,发现向上流动过程存在壁温“陡增”峰值,而向下流动时没有发生

。姜培学团队开展了关于微小尺度下管内超临界CO

的研究,同样观测到了CO

传热异化现象的发生。

文献[14]中提出,在超临界流体传热过程的分析中学者们对于传热特性强弱转换的评判方法可归纳为以下3种。

任务驱动分组法打破传统的讲授模式，能提高学生学习的自主能动性，激发学习兴趣，培养学生团队意识，让学生能动起来，在愉快的气氛中共同学习。用学生去教导学生，教师巡查指导，获得师生共同探讨的机会，能最大化实现“学中做，做中学”以及“做中学，做中教”的教学理念。本人在所教的班上运用此方法，取得良好效果，学生表示上课更加有趣，愿意学习，课堂教学效率大幅提高，期末考试合格率均在96%以上。

第1种根据壁面温度是否出现峰值判断。当管壁温出现飞升现象(即存在峰值),认定传热弱化;而当壁温单调递增时,弱化过程不存在。此判别方法是对传热弱化现象最直观的描述。

第2种基于传热系数对比值来判断。方贤德指出当

<0.3时,出现传热弱化,其中

数是根据实验结果计算得到,

是根据Dittus-Boelter公式计算所得的

数

;部分学者认为当

<1.0时出现传热弱化,其中

是根据实验结果计算得到的传热系数,

是根据Dittus-Boelter公式计算得到的参考点处的传热系数,参考点处的焓应远小于拟临界点处的焓。

第3种根据壁面温度是否超过温度上限来判断。该类型以壁温超过温度上限时识别传热弱化的发生,而温度上限则由加热管道材料和流动工质共同决定。

瓦沙 · 多贝尔莱特，斯洛文尼亚人，1968年开始从事摄影活动，其作品在五大洲的60个国家展出，并获得了100多个奖项，是FIAP在斯洛文尼亚、意大利、波斯尼亚和黑塞哥维那、马其顿、塞尔维亚和克罗地亚等地国际沙龙的评委，2008年，被斯洛文尼亚摄影协会授予 “摄影大师”称号。2008至2015年间，荣获过从EFIAP/B（青铜）到EFIAP/P（白金）的所有奖项。2009年，为表彰他为FIAP所做的特殊贡献，成为ESPIAP。

本文以高超声速飞行器热防护中主动再生冷却技术为研究背景,以碳氢化合物为冷却工质,围绕其在典型小通道中传热特性展开实验研究。利用流体温度、管壁温度、传热系数综合指标,完成传热过程正常传热、传热强化、传热弱化不同阶段的定义划分;剖析超临界压力下极限热流密度的影响因素,采用量纲分析和多元线性回归方法得到极限热流密度预测公式。研究结果可以为飞行器换热结构设计提供理论依据,进而保证飞行器整体的安全运行。

1 实验系统及数据处理

1.1 实验系统

本实验所采用的超临界流体传热测试系统如图1所示,由储液罐、高压恒流泵、体积流量计、交流电加热系统、温度传感器、压力(差)传感器、冷凝器、背压阀和信号采集系统组成。

在9月15日至17日北京“网络文学+”大会期间，主办方发布了《2017年度中国网络文学发展报告》。报告称，截止2017年底，国内各类网络文学作品累计高达1647万部（种）、签约作品132.7万部，当年新增签约作品22万部。其中，现实题材作品数量占比已达52.5%。2017年网络文学驻站作者数量已达1400万人，签约量达68万人，其中47%是全职写作。20年的时间里，网络文学从毛头痞子，壮大为资本寡头，如果加上IP的影剧开发，可谓主宰了大部分国人的文化生活。

测试工质经过恒流泵增压后,在预热盘管内被加热到预设流体温度,流经实验管路(316不锈钢,

3 mm×0.5 mm,管长670 mm)完成换热测试后,最终经过冷凝器冷却流回储液罐进行下一次循环。工质流量由放置于预热盘管前的体积流量计(CX-M5-SS,0～500 mL/min,不确定度为0.5%)测量;工质流体温度由布置在实验管路进出口位置处的K型铠装热电偶(Omega,0～590 ℃,不确定度为0.4%)测量;实验管壁温度采用焊接在管壁表面的热电偶丝进行测量,实验段热电偶分布如图2所示,

=30 mm,

=70 mm,

=10 mm。实验测量参数均由数据采集系统(Keithley 2700,不确定度为1%)在稳态工况下进行采集。

1.2 实验流程与数据处理

选取碳氢化合物环己烷(质量分数为99.5%)、正戊烷(质量分数为99.0%)以及二者不同配比的混合物作为实验工质,工质临界参数由NIST数据库查得,实验工质临界参数见表1,实验工况条件见表2。

实验操作流程如下。

各工况点

随质量通量的变化如图10所示,发现二者呈现良好的线性关系。进一步证实了

随压比的增加而增加,同时发现混合工质

位于纯组分之间,与组分配比正相关(即环己烷质量分数越大,极限热流密度越大)。

调节加热功率达到给定热流密度。

待实验系统达到稳定,开始采集数据:体积流量、加热功率、实验管进出口流体温度、系统压力以及实验管壁温。每个采集时间为90 s,实验数据由采集卡记录并储存在Excel表格里。

步进加热功率,重复步骤3。

改变系统压力,重复上述步骤1～4。

更换实验工质,重复上述步骤1～5。

本刊记者随机采访了一位乘客袁女士，家住中铁国际城的她每周往返济青两地。以往都需自城东赶往西客站，顺利时开车一个半小时左右。济青高铁开通后，她只用半小时抵达新东站。

为确保实验过程中工质不发生裂解,控制流体出口温度和管壁温度分别在320 ℃和500 ℃以下。实验数据处理计算获得管路内壁温度、主流温度以及局部对流换热系数,具体计算方法见文献[25],表3为实验系统参数与计算参量的不确定度。

自抗扰控制是我国韩京清研究员提出的一种非线性控制策略[5].该技术不依赖于系统具体的数学模型，它继承了传统PID控制的优点，克服了其不足之处.同时自抗扰控制技术也体现了现代控制理论的思想，利用扩张状态观测器对系统的内部扰动和外部扰动进行估计和补偿.考虑到自抗扰控制的上述优点，同时结合单级倒立摆控制系统对控制性能的要求，本文针对存在扰动因素影响下的单级倒立摆摆角控制问题，采用自抗扰控制方法设计单级倒立摆控制器.

2 实验结果与讨论

首先进行了测试系统的可靠性和重复性实验,以确保实验结果的准确性。选取以下对流传热公式进行实验系统可靠性验证。

考虑到加热长度对流体传热的影响

,Bishop提出下式

(1)

结合图5和图6中数据结果分析可得,当

<

<0

95

时,内壁温度和传热系数均稳定增长,

在1

0附近波动;此时主流温度和内壁温度都低于拟临界温度,流体远离大比热区间,传热系数平稳增加,为正常传热阶段。

(2)

考虑到物性沿管路径向变化对传热带来的影响

,Jackson提出下式

(3)

2

2

2 质量流量的影响

对环己烷在超临界压力为5

3 MPa、质量流量为3.73 g/s工况下实验测试进行重复性验证,结果如图4所示,实验结果重复性良好。综上所述,本实验台数据可靠并具有可重复性,可以用其进行后续传热实验研究。

2.1 流体传热过程分析

选取环己烷在压比

=1

3时的实验结果进行分析,其中

为工质临界压力。图5给出了环己烷在超临界压力下传热系数随主流流体温度和内壁温度的变化,发现其表征传热特性的各项参数随换热过程发展存在一定的规律性,其中

为内壁温度、

为拟临界温度。

为了更为准确地表述,选取典型工况压力为5

3 MPa、质量流量为3.73 g/s和流体入口温度

为30 ℃时传热结果进行细致剖析,环己烷传热特性参数随流体温度和拟临界温度比的变化如图6所示。

按照

、

以及

的大小关系将超临界流体传热过程进行区间划分,大致分为正常传热、传热强化、传热弱化3个阶段。

将摩擦系数的影响考虑到对流传热过程中

,Gnielinski提出下式

当

>0

95

且

<0

98

时,内壁温曲线斜率减小,传热系数相较正常传热阶段出现突然增加,此时发生了明显的传热强化,为传热强化阶段。此阶段内壁温接近并达到了实验压力下对应的拟临界温度,近壁面流体物性急剧变化,诱使流体微团之间掺混增强,传热能力显著提高。部分学者认为超临界压力下此过程类似于亚临界压力下的过冷沸腾引发的传热强化,并验证了拟沸腾现象的存在

。

当

>0

98

且

>

时,内壁温度出现明显升高,传热系数较之前阶段逐渐降低,为传热弱化阶段。处于该阶段时,内壁温明显高于拟临界温度,近壁流体远离大比热区间,而主流流体温度处于物性急剧变化的拟临界区间。内壁面处发生类膜态沸腾,流体热容和传导能力均大幅下降,导致传热弱化。

学习《我想和你们一起玩》时，教师设计了这样一个趣味游戏：“将男女生各分为两个小组，男生之间开展足球对抗赛，女生之间开展跳绳比赛。”教师制定好比赛规则、奖惩措施。在比赛的过程中，发生了一些“小情况”，男生之间缺乏团结意识，出现问题总是相互指责，甚至红队有两名学生直接吵了起来。教师发现问题后，及时解决，将两名学生全都替换下来，并让这两名学生观察蓝队队员的表现。在观察中，红队学生发现他们配合得很默契，而且一名学生出现失误后，他的搭档不仅没有责备他，反而鼓励他、安慰他。学生认识到自身问题，握手言和，再次投入到比赛中。这一次，他们配合得很默契。

有关企业战略管理的研究文献，比比皆是，均是相关研究学者的深刻有效剖析，但是这些文献也依然存在着些许问题，有许多层面因某些因素而被忽视，或者有些层面的剖析并不深刻，需要具体的实施细节，本文就是在此种情况下应运而生的。

在小质量流量工况下,当

>

且

>1

1

时,相较传热弱化阶段传热系数再次上升,这是由于温度过高导致碳氢化合物发生裂解反应使其吸热增强。

2.2 极限热流密度的影响因素

对以上参数化简,可得

2

2

1 压比的影响

图8为固定质量流量和入口流体温度,压比

分别为1

05和1

3条件下传热系数随热流密度的变化情况。不同压力下传热规律比较相似,在

较小时流体温度远离拟临界温度,传热系数相差很小;

在1

0附近的时候,传热系数出现明显差别,压比为1

05条件下的传热系数高于压比为1

3。表明流体热物性是影响传热过程的重要因素之一,而提高压力不利于拟临界区附近流体的传热,然而极限热流密度

随压力的提高而增加。这是由于在相同质量流量与流体入口温度下,压比为1

3工况下传热弱化起始点处焓与加热入口焓之差要大于压比为1

05工况下的,所以压力越高极限热流密度越大。

选择环己烷在超临界压力4

28 MPa下类液态传热过程进行研究,图3给出了环己烷在

为4

28 MPa、

为3

10 g/s工况下实验测试结果可靠性验证,

为主流流体温度。通过对比实验所得传热系数与经典传热公式计算值,偏差在±15%以内,验证了实验台的可靠性。

对于强弱转化伴随过程指标的量化分析,学者们提出了采用极限热流密度

(超临界压力下传热弱化起始点处对应的热流密度

)来表征传热规律的转折点,即传热弱化发生的起始点。Yamagata等对超临界水传热特性进行研究,拟合实验数据获得极限热流密度关联式为

=0.2

,

表示质量流量;Styrikovich获得的圆管内超临界水传热弱化发生的实验关联式为

=0.58

,同类型的极限热流密度与质量流速之间的线性关系被Yin和Mokry

所证实。针对超临界压力下的二氧化碳,Kim等提出了预测极限热流密度的关系式为

=0.000 02

。Urbano通过数值模拟方法提出了有关超临界压力下甲烷和戊烷极限热流密度的预测关联式,将

拟合为压力比的函数形式

。罗毓珊对于超临界压力下煤油的极限热流密度进行了研究,发现存在最佳工况压力所获得的极限热流密度最大,同时流体入口温度影响极限热流密度

;获得极限热流密度的计算式为

=0.122

。除热流密度与质量流速函数表达式之外,学者们也曾尝试引入流体密度、黏度、

数、

数以及摩擦系数等因素,以获知传热弱化发生的温度条件

。由上可知,前人提出的预测模型存在公式两端量纲不匹配和影响参数不统一的问题,导致关联式对于流体工质和工况条件局限性很强。开展超临界流体极限热流密度影响因素分析,获取适用性强、精度好的预测模型的研究工作显得很有必要。

不同质量流量时环己烷在

=1

3、

=30 ℃工况下传热系数随热流密度的变化如图9所示,流体传热系数和

随着质量流量的增加均呈现增长的趋势。在相同的主流温度下,质量流量的提升导致强制对流过程中惯性力作用增强,流体微团之间的湍流掺混程度增加,有利于增强传热。

开启高压恒流泵并给定泵的流量,调节背压阀给定系统压力,调节预热功率使加热入口温度恒定。

2

2

3 流体入口温度的影响

不同流体入口温度时传热系数随热流密度的变化如图11所示,流体传热系数随流体入口温度的升高整体增加,而

呈现显著降低趋势。在相同质量流量下,流体温度的升高导致流体黏度降低,

增加,流体传热增强。

图12给出了

为3

73 g/s时不同压比下不同工质

随流体入口温度的变化。流体入口温度为30 ℃时传热弱化起始点焓与入口焓差值为640.05 kJ·kg

;90 ℃、150 ℃、210 ℃分别对应的焓差为506.70 kJ·kg

、368.21 kJ·kg

和226.95 kJ·kg

。由此看出,入口温度越低,加热到传热弱化起始点所需的加热功率越大,极限热流密度越大。

2.3 与已有极限热流密度预测关联式对比分析

将获得实验结果与学者们提出的预测极限热流密度的关系式进行对比分析,各极限热流密度预测关系式及适用实验工质如表4所示。

图13为

实验结果与预测公式计算结果的对比。可以看出,即使对于实验结果预测相对较好的Ogata关联式,也仅有52%的数据点落在±20%的误差带内,而其他4个公式的预测结果偏差均很大。

Styrikovich关联式只考虑了质量通量对极限热流密度的影响,而且公式两端量纲不相同,不具备普适性;其他3种关联式两端量纲相同,在质量通量影响的基础上加入了摩擦系数、比热容和体积膨胀系数对极限热流密度的影响,尝试通过拟临界点的比热容与体积膨胀系数的比值来体现压力的影响,但同样预测精度不高,且未考虑到加热入口温度对极限热流密度的影响。

2.4 构建极限热流密度无量纲预测关联式

由上文可知,需要综合考虑压力、流体入口温度、质量流量和工质物性因素对极限热流密度的影响,构建可准确预测极限热流密度的无量纲公式。选用不同无量纲参数来表征系统参数对传热特性曲线上传热弱化起始点的影响,然后使用量纲分析方法得到可用来预测极限热流密度的无量纲公式;最终采用多元线性回归的方法获得相应系数。

根据上文提出的影响因素进行量纲分析,预测传热弱化起始点处极限热流密度的公式可表示为

(

,

,

,

,Δ

,

,

,

,

,

)=0

(4)

式中:

表示管内径;

表示工质拟临界温度处对应的焓,由于NIST数据库中焓有负值,因此本文选取室温20 ℃对应的焓为0基准点;Δ

表示拟临界温度处和加热入口温度处的焓之差;

表示流速;

表示流体密度;

表示动力黏度。

根据π定理,选择

、

和

作为基本参量,分析得到以下6个无量纲数

(2) 监测期末，3#锚杆预应力损失值最大，为32.4 kN，约占初始预应力的8.53%；4#锚杆预应力损失值最小，为31.2 kN，约占初始预应力的8.40%；四根锚杆预应力损失平均值为31.8 kN，预应力损失百分比平均值为8.48%，预应力松弛速率平均值为0.0445 kN/d。

(5)

不同工质在

为1

3、

为3

73 g/s、

为30 ℃时传热系数随热流密度的变化如图7所示,传热系数极值附近(传热弱化起始处)对应的热流密度即为对应工况下的极限热流密度,不同工况下极限热流密度呈现规律性分布。

(6)

(7)

(8)

(9)

其中无量纲数(

)可以与亚临界压力下无量纲沸腾数(

=

)类比,定义为超临界拟沸腾数,用

数

来表示,因此,预测传热弱化起始点处极限热流密度的公式为

(10)

图14为

对

数的影响,由图14可以看出,在流体入口温度相同的条件下,

数几乎不随

数的变化而变化;在

数相近而流体入口温度不同的情况下,

数随入口温度的增加而降低。由此看出

对

数的影响相较流体入口温度对

数的影响不显著。

无量纲数Δ

表征了流体入口温度对极限热流密度的影响,图15给出了Δ

对

数的影响,可以看出Δ

对

数的影响非常显著,

数随Δ

的增加呈近似线性增长。

我国于2018 年3 月17 日由国务院办公厅印发了《科学数据管理办法》（以下简称《办法》），从职责、科学数据采集、汇交与保存、共享与利用、保密与安全等方面对科学数据管理与共享进行了规范。其中，第四章主要对科学数据的共享与利用进行了规范。《科学数据管理办法》解读可从科技部基础研究司司长叶玉江和国家科技基础条件平台中心副主任王瑞丹对《办法》提出的具体措施中体现。《办法》第十九条、二十条、二十一条、二十二条、二十三、二十四条等对科学数据的共享利用相关问题进行了规定。

徐歪头这人，没人喜欢。他五十多了，对谁不满，就打人家的孩子，七八岁也好，三四岁也好，他都打。人家找上门来，他不承认，还赌咒发誓。哪个小伙子说亲事了，他跑到女方家，说，你怎能把闺女嫁给他？他有病，就是不生孩子那种病！他这么一说，亲事就黄了。徐歪头对他的老妈妈也不孝顺，大年初一，他吃热气腾腾的肉包子，他妈妈只能啃冷馒头。徐歪头养了一条狗，从来不喂，都是他妈妈喂的。狗长得瘦，难看，他就嫌弃它，老用棍子打它。那条狗也不喜欢他，他一回家，狗就叫。

图16给出了无量纲数

对

数的影响,由图16可以看出,

对

数的影响不可忽略,

数随

的增加而缓慢增加。

综上所述,极限热流密度预测公式(10)可以简化为

(11)

式中

、

和

是常数。在方程两边取自然对数,得到一个多元线性回归方程

对于速断保护而言，忽略保护动作时间，考虑断路器分闸时间0.13 s、合闸时间0.2 s，当重合闸整定时间由2 s增加至2.5 s时，允许滑落性故障的延时，将从2.33 s增加至2.83 s，对于滑落性延时故障的重合成功率也有提升。

(12)

根据超临界压力下实验数据采用多元线性回归方法,得到本文极限热流密度

的公式为

(13)

式(13)主要适用于1

05<

<1.3、20 ℃<

<

的情况。

在爆破设计中将预裂孔逐孔编号，通过测量现场放线获得预裂孔孔位实际高程，根据爆破设计计算出每个预裂孔的实际孔深，制成实际造孔参数表下发作业队并进行技术交底，作业队按造孔参数表控制预裂孔孔深。边坡特殊开挖段（如渐变段等），技术人员要逐孔进行计算，计算出各预裂孔的方位角、倾角及孔深，并在造孔过程中配合质检员现场校核各预裂孔的钻孔参数。预裂孔造孔严格执行“三定”制度。在钻机开孔前，对钻工进行详细的技术交底，严格执行“定机、定人、定岗”制度，对每个孔的孔深、倾角及钻孔责任人实行挂牌标示，做到责任到人。在每台钻机上设置有钻工作业明白卡，明确了钻孔工艺的程序和质量要求。

图17给出了

无量纲公式计算值与本文实验结果及文献[34-36]数据的对比,其中本文综合考虑了压力、质量流量和流体物性、入口温度等因素对于极限热流密度

的影响,数据预测偏差均在±10%以内;而文献数据源于常规尺寸管径实验,且忽略了入口温度对极限热流密度的影响,故其数据结果与本文预测公式结果存在较大偏差。

3 结 论

本文以高超声速飞行器热防护中主动再生冷却技术为研究背景,对水平管路超临界压力下碳氢化合物的传热过程进行了实验研究。通过分析传热特性,得出了以下的结论。

(1)对于小通道中超临界流体水平流动,传热过程分为正常传热、传热强化、传热弱化不同阶段。

(2)表征超临界压力下传热弱化起始点的极限热流密度

与流体压比、入口温度和质量流量相关。

(3)无量纲拟沸腾数

受流体入口温度与压力影响明显,与

弱相关。

1.1 推动地方文化资源传承与发展。各地建设广场文化，就是要尽量地开掘与调动地方文化的资源，使得地方文化传统、文化遗产得到更多的继承与发扬，并改造成适应新时代需要的文化。地方文化资源借广场文化的展示与推动，成为有显示度的地方文化，从而充实地方文化内涵

(4)采用量纲分析和多元线性回归方法得到超临界压力流体极限热流密度公式,用于预测传热弱化特性的发生。

:

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