U型再生冷却通道内超临界航空煤油换热特性数值模拟.pdf

收稿日期：2023-01-16基金项目：吉林省教育厅科技项目（JJKH20220100KJ）、东北电力大学青年博士科研助推计划（BSZT02202102）资助作者简介：王彦红（1983），男，博士，副教授。引用格式：王彦红，李浩然，李洪伟.U型再生冷却通道内超临界航空煤油换热特性数值模拟J.航空发动机，2023，49（4）：16-25.WANG Yanhong，LI Haoran，LI Hongwei.Heat transfer of supercritical aviation kerosene in a u-shaped regenerative cooling channelJ.Aeroengine，2023，49（4）：16-25.U型再生冷却通道内超临界航空煤油换热特性数值模拟王彦红，李浩然，李洪伟（东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林吉林 132012）摘要：为了解决航空发动机的高温热防护问题，通过RNG k-湍流模型开展了U型再生冷却通道内超临界压力RP-3航空煤油换热特性数值研究。探究了进口参数、固壁热导率、壁面粗糙度对换热的影响机制。基于流场和温度场揭示了换热特征和换热机理，通过离心力参数讨论了其作用机制，阐述了二次流对换热的影响，提出了换热关联式，其预测偏差处于20%以内。结果表明：上游水平通道和下游水平通道受非对称加热作用产生弱二次流，弯通道受离心力作用产生强二次流，高温区近壁流体吸热能力降低造成传热恶化，最高壁温约为935 K；离心力促使热流产生显著的周向迁移。在高进口温度下传热恶化起始位置提前到弯通道，加剧了离心力作用，使热流迁移增强。提高固壁热导率和壁面粗糙度，换热均增强，对离心力影响可忽略。关键词：U型通道；再生冷却；超临界航空煤油；换热特性；热流迁移；高温热防护；航空发动机中图分类号：V231.1文献标识码：Adoi：10.13477/ki.aeroengine.2023.04.003Numerical Simulation on Heat Transfer Characteristics of Supercritical Aviation Kerosene in a U-shapedRegenerative Cooling ChannelWANG Yan-hong，LI Hao-ran，LI Hong-wei（School of Energy and Power Engineering，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012，China）Abstract：In order to solve the problem of high-temperature thermal protection of aeroengine，numerical research on heat transfercharacteristics of supercritical-pressure RP-3 aviation kerosene in a U-shaped regenerative cooling channel was conducted based on theRNG k-turbulence model.Effect mechanisms of the inlet parameters，solid wall thermal conductivity，and wall roughness on heat transfer were investigated.Based on the flow field and temperature field distributions，the characteristics and mechanisms of heat transfer wererevealed.The centrifugal force effect was discussed through the centrifugal force parameters.The influence of secondary flow on heat transfer was described，and the heat transfer correlation was proposed，with prediction deviations within 20%.The results show that the upstream horizontal section and the down-stream horizontal section generate weak secondary flow due to the asymmetric heating，the bendsection generates strong secondary flow due to the centrifugal force，and the heat transfer deterioration is caused by the reduced heat absorption capacity of near-wall fluid in the high-temperature region，and the maximum wall temperature is approximately 935 K.The centrifugal force leads to a significant circumferential migration of heat flux.The starting position of heat transfer deterioration is advanced tothe bend section at the high inlet temperature condition，the centrifugal-force effect is aggravated and the heat flux migration is enhanced.With the increase of solid thermal conductivity and wall roughness，the heat transfer is enhanced and the effect on centrifugal force can beignored.Key words：U-shaped channel；regenerative cooling；supercritical aviation kerosene；heat transfer characteristics；heat flux migration；high-temperature thermal protection；aeroengine第 49 卷 第 4 期2023 年 8 月Vol.49 No.4Aug.2023航空发动机Aeroengine0引言再生冷却是解决超声速发动机热端部件冷却问题的重要技术，其通过碳氢燃料流经燃烧室固壁内的微通道吸收机体极端热量1。因为碳氢燃料工作于超临界条件下，变热物性耦合通道非对称加热环境引起复杂的流动换热问题，影响超声速发动机的热管理过程2。因此，再生冷却通道内超临界碳氢燃料换热王彦红等：U型再生冷却通道内超临界航空煤油换热特性数值模拟第 4 期特性及通道结构优化受到广泛的重视。目前，再生冷却通道中超临界碳氢燃料流动换热研究分为传统通道换热机理和新型通道换热机理2方面。在传统通道换热机理方面，Hu等3探究了体积热源下方通道中RP-3航空煤油的换热问题，表明二次流强度随着质量流速和进口压力提高而减弱，随着体积热源密度增大而增大；Sun等4考察了不同壁面加热方通道内RP-3航空煤油的换热机制，表明密度随温度剧变产生浮升力和热流再分配，顶壁面加热比底壁面加热重力影响更显著，换热效果也更好；张卓远等5分析了顶壁面、侧壁面、底壁面加热下方通道内正癸烷的换热差别，表明顶壁面和底壁面加热具有1对二次流涡，侧壁面加热仅有1个二次流涡，二次流强度相比前二者更大。在新型通道换热机理方面，Gao等6探究了波纹内壁面通道中RP-3航空煤油的换热机制，设计了横向波纹、纵向波纹和复合波纹3种类型，表明波纹通道相比传统通道可以明显增强换热效果，复合波纹通道的换热性能更好；Zhu等7探究了三角形横肋方通道内正癸烷的换热问题，表明合理的螺纹布置起到提升通道综合换热系数的作用；Li等8进行了双层通道正癸烷流动换热性能研究，表明双层顺流通道的换热效果比双层逆流通道和传统通道的更好，可以显著抑制传热恶化问题；Zhao等9模拟了连续三角形肋通道内正癸烷的换热机制，表明肋通道显著减小温度的不均匀度，换热性能大幅提高，需要根据布置位置、高度和节距确定最优肋结构方案；Zhang等10通过网络拓扑优化建立再生冷却通道，拓扑通道的回流效应促使换热显著增强；胡家瑛等11提出了U型平板冷却通道方案，可通过相邻通道肋间换热从燃烧室壁面吸收更多的热流；张萌等12、Naraghi等13、Liang等14基于U型通道在超声速发动机热管理中的广泛应用，进行通道内超临界碳氢燃料的换热特性研究，表明弯通道对热流分配和湍流换热具有显著影响。以上研究较少关注固壁热导率和壁面粗糙度对U型通道超临界碳氢燃料换热的影响，其换热关联式需要补充。本文对U型再生冷却通道内超临界RP-3航空煤油的换热开展了数值模拟。研究成果有助于再生冷却通道的优化设计和工程运用。1U型通道换热的数值模型1.1U型通道模型水平U型冷却通道模型如图1所示，g为重力加速度。通道为方形截面，外边长为3 mm，内边长为2mm。上游水平段和下游水平段换热长度均为 200mm，两端绝热段长度均为150 mm，以获得充分发展的进口流动和避免出口效应的影响。弯通道直径D为300 mm13。均匀的热流密度施加在加热段内侧表面，该侧定义为inner侧，对侧为 outer侧，两边为 side侧。流体进口给定质量流速和进口温度，出口为静压边界，进口和出口的壁面设定为绝热边界。固壁热导率为 2060 W/（mK）；通道内壁面粗糙度为030 m；流体压力为35 MPa；进口温度为300600 K；质量流速设定为 2000 kg/（m2s）；壁面热流密度为2 MW/m2。固壁沿径向划分了20层网格，流体域近壁面网格做了加密，流动方向弯管段网格相比直管段也进行了加密。根据网格无关性分析确定的网格方案为（通道截面网格数量流动方向网格数量）32141260，U型通道网格如图2所示。1.2控制方程（1）连续性方程(ui)xi=0（1）（2）动量守恒方程(uiuj)xj=xie()uixj+ujxi-23ueukxk-pxi+gi（2）图2U型通道网格图1水平U型冷却通道模型gP4P5P3P1P2150 mm200 mmD=300 mm150 mm200 mm2 mm3 mmOutletInlet17航空发动机第 49 卷（3）能量守恒方程(uicpT)xj=xi()KeTxi+uixie()uixj+ujxi-23ueukxkij（3）式中：p为压力；T为温度；u为流速；为密度；cp为定压比热容；为动力黏度。（4）RNG k-湍流方程(uik)xi=xi()akekxi+Gk+Gb-（4）(ui)xi=xi()aexi+C1(Gk+C3Gb)k-C22k-R（5）式中：k为湍动能；为湍流耗散率。（5）热传导方程xi()Txi=0（6）式中：为通道热导率，不同的热导率表示不同的通道材料。超临界压力RP-3航空煤油的密度、定压比热容、热导率和动力黏度15通过分段线性形式在Fluent中设置。RP-3航空煤油密度和定压比热容随温度的变化如图3所示。湍流计算时设置增强壁面处理。控制方程中其它变量的定义、求解方法和Fluent设置见文献16。1.3模型验证基于文献17竖直U型圆管超