Διερεύνηση εναλλακτικών διατάξεων ψύξης καυσαερίου με ταυτόχρονη θέρμανση αερίου μίγματος σε αεροπορικούς κινητήρες

Abstract

The subject of this thesis is a numerical investigation of a heat exchanging installation for aeroengine applications. The investigation includes both pressure drop and heat transfer inside a heat exchanger. For the pressure drop, the heat exchanger was considered as a porous medium and experimentally derived laws were used to predict its behaviour. The examined parameters were the angle of attack, the inlet velocity and the inlet temperature of air. Another empirical law was used for the heat transfer. Moreover, a second approach was used, in which the flow inside the exact geometry of the heat exchanger core was modeled. The heat transfer performance of the heat exchanger was described by the local Nusselt number and temperature distributions and the results were compared with available experimental data. Additionally, the effect of unsteady phenomena on heat transfer was studied. Finally, the empirical laws for pressure drop were adopted for modeling the flow inside the exhaust nozzle of the aeroengine and optimizing the geometrical setup of the heat exchangers in the nozzle in order to minimize the pressure losses.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την υπολογιστική μελέτη εναλλακτικών διατάξεων ψύξης καυσαερίων, οι οποίες βρίσκουν εφαρμογή σε αεροπορικούς κινητήρες. Η μελέτη έγκειται στην διερεύνηση της συμπεριφοράς ενός εναλλάκτη τόσο από πλευράς απωλειών πίεσης όσο και της θερμικής του συμπεριφοράς. Η πτώση πίεσης εξετάζεται σαν συνάρτηση των γωνιών εισόδου του αέρα στον εναλλάκτη καθώς και της θερμοκρασίας αυτού. Εμπειρικοί νόμοι που εξήχθησαν από προγενέστερες πειραματικές μετρήσεις ενσωματώθηκαν σε εργαστηριακό υπολογιστικό κώδικα επίλυσης ροών. Οι νόμοι αυτοί προβλέπουν την πτώση πίεσης ανάλογα με την ταχύτητα και τη γωνία εισόδου καθώς και τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ των δύο ρευμάτων του εναλλάκτη. Η επαλήθευση αυτών έγινε με την αριθμητική επίλυση της ροής, όπως αυτή διαμορφώνεται στην αεροσήραγγα που διεξήχθησαν τα πειράματα. Κατόπιν, έγινε επίλυση της ροής στον πυρήνα του εναλλάκτη ώστε να διασταυρωθούν τα παραπάνω αποτελέσματα αλλά και να κατανοηθεί σε βάθος ο μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας. Για το σκοπό αυτό υπολογίστηκε ο τοπικός αριθμός Nusselt κατά μήκος της επιφάνειας κάθε σωλήνα του πυρήνα. Επίσης υπολογίστηκε ο μέσος αριθμός Nusselt κάθε σωλήνα όπως και ο συνολικός αριθμός Nusselt για διάφορες συνθήκες εισόδου του αέρα. Η μελέτη της ροής στον πυρήνα επιβεβαιώνει και την ακρίβεια των εμπειρικών νόμων. Επιπλέον, διερευνήθηκε η επίδραση των μη μόνιμων φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στη μεταφορά θερμότητας. Τέλος, οι εμπειρικοί νόμοι εφαρμόστηκαν στην πραγματική διάταξη των εναλλακτών μέσα στο ακροφύσιο εξόδου καυσαερίων αεροπορικού κινητήρα, ώστε να επιλυθεί η ροή εκεί, χωρίς να απαιτείται η προσομοίωση της ροής στην ακριβή γεωμετρία του πυρήνα αυτών, και να γίνει βελτιστοποίηση της διάταξής τους μέσα στο ακροφύσιο, προκειμένου να μειωθούν οι απώλειες πίεσης που εισάγει η συνολική εγκατάσταση.