题目：超临界碳氢燃料湍流模型数值研究

    超声速飞行器的燃烧室壁热负荷非常高，常规空气冷却由于空气滞止温度过高无法采用，人们通常利用碳氢燃料进行再生冷却的主动冷却方式对超燃冲压发动机进行冷却。但是，冷却通道中的碳氢燃料在高温高压下会进入超临界状态。超临界碳氢燃料物性和常规工质有很大的不同，这在CFD软件的模拟过程中产生了很多困难。目前，关于超临界碳氢燃料的湍流模型的研究仍处于起步阶段，少部分研究者利用常规湍流模型对超临界碳氢燃料做了数值模拟研究，并适度的修正了湍流模型，使其更加符合实际。总体上，对于超临界碳氢燃料的湍流模型的研究具有十分重大的意义。

    本文详细总结了超临界湍流流动换热特性以及关于超临界湍流模型研究的相关文献，分析了Navier-Stokes方程以及常见的湍流模型，重点介绍了基于涡粘模式的湍流模型。本文分析并比较了几种常用来模拟超临界湍流流动的湍流模型对具体实验工况的计算结果。并基于其中模拟效果较好的一种湍流模型，对其进行更近一步的修正，提出了一个更加准确的修正湍流模型。对于修正后的湍流模型，就其在超临界碳氢燃料流动换热数值模拟的适用范围进行了探讨，全面比较修正模型与常规模型的计算结果。本文旨在为超临界碳氢燃料流动换热计算提供一种更加准确的数值模型，为高超声速冲压发动机设计提供数值模拟支持。主要得出以下结论：

    1.对于几种常用的用于研究超临界湍流计算的湍流模型（标准k-ε湍流模型，YS湍流模型，SST湍流模型，四方程V2F湍流模型）：在对超临界碳氢燃料在细圆管中的流动换热的模拟，标准k-ε湍流模型与SST湍流模型能够得到较好的计算结果，相较于YS模型和V2F模型，更加贴近于实验数据。

    2.基于标准k-ε湍流模型对超临界碳氢燃料在水平细圆管中的流动换热的大量工况进行数值模拟，在定量数值上流动方面只有30%的工况流阻计算误差在15%以内，换热方面约有40%工况的对流换热系数的计算误差在10%以内，即标准k-ε湍流模型也并不能十分准确的模拟出超临界管流的流动换热情况。

    3.因此本文基于标准k-ε湍流模型的耗散率方程，通过修正经验系数的方法对常规湍流模型进行适度修正，研究方法是分析耗散率方程相关项的物理意义与修正模型的计算结果与实验数据的反复对比调试，最终得到满足要求的修正k-ε湍流模型。使用修正后的k-ε湍流模型对上述相同实验工况进行计算，得到明显改善的计算结果：超过80%工况的加热段总压损失计算值与实验值误差在15%以内，全部工况的对流换热系数计算值与实验值误差在10%以内。

    4.基于得到的修正k-ε湍流模型，分别用其计算多种实验工况：超临界碳氢燃料在水平细圆管中的流动换热；超临界碳氢燃料在竖直细圆管中的流动换热情况。分析其相较于其他湍流模型的计算效果。最终发现，使用经过修正的湍流模型的计算结果与实验数据更加接近，要优于其他常用湍流模型。