آنالیز انتقال حرارت جابجایی متان در فشار فوق‌بحرانی در یک کانال خنک‌کاری بازیابی

نویسندگان

صنعتی شریف

چکیده

یکی از مراحل مهم در طراحی زیرسامانه‌های فضایی تحلیل جامع رفتار حرارتی سیال خنک‌کننده درون کانال‌های خنک‌کاری بازیابی برای   دست­یابی به طراحی بهینه، بهبود عملکرد و افزایش عمر می‌باشد. در سامانه‌های پیشران متان- پایه، تحلیل حرارتی خنک‌کننده‌ متانی برای پیش‌بینی خواص ترمودینامیکی که وابسته به دمای محلی و فشار می‌باشند، اهمیت ویژه‌ای دارد. خنک‌کننده‌ متانی با پدیده‌هایی از جمله تغییر رژیم جریان و افت انتقال حرارت به­دلیل گرادیان دمای بالای نزدیک دیواره، عدد رینولدز بالا و هندسه سه‌بعدی مسیرها مواجه خواهد شد. در پژوهش حاضر، حلگری سه‌بعدی برای شبیه‌سازی انتقال حرارت جابجایی جریان متان فوق‌بحرانی درون کانال خنک‌کاری مستطیلی توسعه داده شده ­است. اعتبارسنجی حلگر با استفاده از داده­های تجربی متان در آزمون‌های MTP انجام­ شده و دقت روابط ناسلت مختلف برای تخمین ضریب انتقال حرارت متان در فشارهای فوق‌بحرانی ارزیابی شده‌اند. به‌علاوه، روابط عدد ناسلت موجود برای متان فوق‌بحرانی درون کانال مستطیلی توسعه داده شده‌اند. دقت روابط اصلاح ‌شده در فشارهای خروجی، شارهای دیواره و دبی‌های ورودی مختلف مطالعه شده‌اند. روابط ناسلت اصلاح‌ شده در فشارهای بالاتر از 8 MPa و نرخ  انتقال حرارت کمتر از 13 kW خطای کمتر از 10% دارند.‌

کلیدواژه‌ها

مراجع

  1. Hurlbert, E.A., Whitley, R., Klem, M.D., Johnson, W., Alexander, L., D’Aversa, E., Ruault, J.M., Manfletti, Ch., Sippel, M., Caruana, J.N., Ueno, H., and Asakawa, H. “International space exploration coordination group assessment of technology gaps for LOX/Methane propulsion systems for the global exploration roadmap”; AIAA Space, 2016.
  2. Trejo, A., Garcia, C., and Choudhuri, A. “Experimental investigation of transient forced convection of liquid methane in a channel at high heat flux conditions”, Experimental Heat Transfer, Vol. 29, No. 1, pp.97-112, 2016.
  3. Hendricks, R.C., Graham, R.W., Hsu, Y., and Friedman, “Experimental heat transfer results for cryogenic hydrogen flowing in tubes at subcritical and supercritical pressures to 800 pounds per square inch absolute”, NASA TN D-3095, 1966.
  4. Spencer, R. and Rousar, D. “Supercritical oxygen heat transfer”, NASA CA-135339, 1977.
  5. Giovanetti, A., Spadaccini, L.J., and Szetela, “Deposite formation and heat-transfer characteristics of hydrocarbon rocket fuels”, J. Spacecraft and Rockets, Vol. 22, No. 5, pp.574-580, 1985.
  6. Liang, K., Yang, B., and Zhang, Z. “Investigation of heat transfer and coking charrcteristics of hydrocarbon fuels”, J. Propul. Power, Vol. 14, No. 5, pp.789-796, 1998.
  7. Votta, R., Battista, F., Ferraiuolo, M., Ronicioni, P., Salvatore, V., and Matteis, P. “Design of an experimental campaign on methane regenerative liquid rocket engine cooling system”, 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf., 2013.
  8. Votta, R., Battista, F., Salvatore, V., Pizzarelli, M., Leccese, G., Nasuti, F., and Meyer, S. “Experimental investigation of transcritical methane flow in rocket engine cooling channel”, Appl. Therm. Eng., Vol. 101, pp.61-70, 2016.
  9. Ricci, D., Natale, P., Battista, F., and Salvatore, V. “Experimental Investigation on the Transcritical Behaviour of Methane and Numerical Rebuilding Activity in the Frame of the Hyprob-Bread Project”, submitted for the the ASME Int. Mechanical Eng. Cong. & Exp., USA, 2015.
  10. Ricci, D., Natale, P., and Battista, F. “Experimental and Numerical Investigation on the Behavior of Methane in Supercritical Conditions”, Appl. Therm. Eng., Vol.107, pp.1334-1353, 2016.
  11. Pizzarelli, M., Nasuti, F., Votta, R., and Battista, F. “Validation of conjugate heat transfer model for rocket cooling with supercritical methane”, J. Propul. Power, pp.726-733, 2016.
  12. Pizzarelli, M., Nasuti, F., Votta, R., and Battista, F. ‘Assessment of a conjugate heat transfer model for rocket engine cooling channels fed with supercritical methane”, 51st AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf., 2015.
  13. Pitla, S., Groll, E., and Ramadhyani, S. “New correlation to predict the heat transfer coefficient during in-tube cooling of turbulent supercritical CO2”, Int. J. Refrigeration, Vol. 25, No. 7, pp.887-895, 2002.
  14. Yoon, S., Kim, J., Hwang, Y., Kim, M., Min, K., and Kim, Y. “Heat transfer and pressure drop characteristics during the in-tube cooling process of carbon dioxide in the supercritical region”, Int. J. Refrigeration, Vol. 26, No. 8, pp.857-864, 2003.
  15. Dang, C. and Hihara, E. “In-tube cooling heat transfer of supercritical carbon dioxide, Part 1. Experimental measurement”, Int. J. Refrigeration, Vol. 27, No. 7, pp.736-747, 2004.
  16. Gnielinski, V. “New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow”. Int. Chem. Eng., Vol. 16, No. 2, pp.359-368, 1976.
  17. Mokry, S., Pioro, I., Farah, A., King, K., Gupta, S., Peiman, W., and Kirillov, P. “Development of supercritical water heat-transfer correlation for vertical bare tubes”, Nuclear Engineering and Design, Vol. 241, No. 4, pp.1126-1136, 2011.
  18. Wang, Y., Hua, Y., and Meng, H. “Numerical studies of supercritical turbulent convective heat transfer of cryogenic-propellant methane”, J. Thermophys Heat Transfer, Vol. 24, No. 3, pp.490-500, 2010.
  19. Jackson, J. and Hall, W. “Forced convective heat transfer to fluids at supercritical pressure” Turbulent Forced Convection in Channels and Bundles, pp.563-611, 1979.
  20. Ruan, B., Gao, X., and Meng, H. “Numerical modeling of turbulent heat transfer of a nanofluid at supercritical pressure”, Appl. Therm. Eng., Vol. 113, pp.994-1003, 2017.
  21. Bishop, A., Sandberg, R., and Tong, L. “Forced-convection heat transfer to water at near-critical temperatures and supercritical pressures”, Westinghouse Electric Corp., Pittsburgh, Pa. Atomic Power Div, WCAP-5449; CONF-650603-1, 1964.
  22. Pizzarelli, M. “A CFD-derived correlation for methane heat transfer deterioration”, Numer. Heat Transfer, Part A, Vol. 69, No. 3, pp.242-264, 2016.
  23. Arun, M., Akhil, J., Noufal, K., Baby, R., Babu, D., and Prakash, M. “Effect of aspect ratio on supercritical heat transfer of cryogenic methane in rocket engine cooling channels”, Frontiers in Heat and Mass Transfer, Vol. 8, 2017.
  24. Wang, Y.Z. “Numerical investigation of supercritical turbulent heat transfer of cryogenic-propellant methane in a horizontal tube (In Chinese)”, Master Dissertation, Zhejiang University, 2010.
  25. Van Doormal, J.P. and Raithby, G.D. “Enhancement of the SIMPLE Method for Predicting Incompressible Fluid Flows”, Numer. Heat Transfer, Vol. 7, No. 2, pp.147-163, 1984.
  26. Rhie, C. and Chow, W. “Numerical Study of the Turbulent FlowPast an Airfoil with Trailng Edge Separation”, AIAA Journal, Vol. 21, No. 11, pp.1525-1532, 1983.
  27. Spalart, P. and Allmaras, S. “A one-equation turbulence model for aerodynamic flows”, 30th aerospace science meeting and exhibit, 1992.
  28. Kunz, O. and Wagner, W. “The GERG-2008 wide-range equation of state for natural gases and other mixtures: an expansion of GERG-2004”, J. Chem. Eng. Data Vol. 57, No. 11, pp.3032-3091, 2012.
  29. Younglove, B.A. and Ely, J.F. “Thermophysical properties of fluids. II. methane, ethane, propane, isobutane and normal butane”, J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 16, No. 4, pp.577-798, 1987.
  30. Quiñones-Cisneros, S. and Deiters, U. “Generalization of the friction theory for viscosity modeling”, J. Phys. Chem. B, Vol. 110, No. 25, pp.12820-12834, 2006.
  31. Versteeg, H. and Malalasekera, W. “An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method”, Pearson Education, 2007.
  32. Dittus, F. and Boelter, L. Publications on Engineering, Vol. 2. University of California at Berkeley, Berkeley, CA, 443-461, 1930.
  33. Taylor, M. “Correlation of local heat-transfer coefficients for single-phase turbulent flow of hydrogen in tubes with temperature ratios to 23”, NASA TN D-4332, 1968.
  34. Zhao, C. and Jiang, P. “Experimental study of in-tube cooling heat transfer and pressure drop characteristics of R134a at supercritical pressures”, Exp. Therm. Fluid Sci., Vol. 35, No. 7, pp.1293-1303, 2011.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 13 خرداد 1397
  • تاریخ بازنگری: 19 دی 1397
  • تاریخ پذیرش: 12 دی 1397

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار