航空发动机壁面冷却通道结构对液态金属传热的影响

转自Thermal Science and Engineering Progress

论文信息：

Huihui Xu, Zhaoxun Wang, Wei Wei, Tiechuan Li, Xuexin Duan. Microfluidic confined acoustic streaming vortex for liposome synthesis[J]. Lab on a Chip, 2024, 24(10): 2802-2810.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.tsep.2024.102651

研究背景

高超音速飞行器具有高速和短起飞准备，在军事中具有重要的战略作用。为了获得广泛的速度范围和广阔的空域飞行，高超音速飞行器需要一个可以组合各种发动机类型（涡轮、冲压、火箭）的动力系统，以创建具有每种类型发动机优点的组合发动机。然而，组合发动机面临着严峻的热保护挑战，这甚至限制了它们在更高马赫数下的开发和应用。为了解决组合发动机日益严重的热保护问题，研究人员提出了再生冷却系统（RCS），这是最有效、最有前途和潜在可实现的热保护系统（TPS）之一。在蓄热式冷却过程中，烃类燃料往往需要达到超临界状态，并经历复杂的超临界流传热过程，物理性质发生剧烈变化。因此，RCS面临着燃料结焦和超临界传热等挑战，亟待解决。

为了改善高温高压下蓄热式冷却通道中燃料结焦的问题，研究人员提出了许多方法和研究。对超临界条件下蓄热式冷却通道内烃类燃料的流动和传热性能、裂解和传热的耦合特性以及结焦和传热劣化的特性进行了大量研究。研究人员希望了解与碳氢化合物燃料裂解相关的传热机理，调整边界条件以避免传热劣化，并抑制部分燃料结焦。一些研究还表明，改变冷却通道的结构可以改善传热。

研究内容

在LMCS中，液态金属进入发动机壁的冷却通道吸收热量，随后分别通过旁路换热器和加热器，与烃类燃料和闭环工件进行热交换。这允许从发动机壁回收热量，如图1的上半部分所示。由于液态金属的热特性对温度变化高度敏感，并且燃烧室壁经历单侧加热，冷却通道中的流体被加热不均匀。这导致从非加热壁到加热壁的垂直方向上存在相当大的温差，从而产生影响能量回收过程的异质流场。因此，必须检查液态金属在冷却通道中的传热过程。此外，研究还探讨了结构参数对液态金属冷却通道内传热过程的影响。如图1的下半部分所示，燃烧器中的冷却通道通常由多个并联的矩形通道组成。可以合理地假设所有冷却通道的热通量和流速是均匀的，为简单起见，允许使用单个冷却通道模型。由于通道中的流动在垂直方向上表现出对称性，因此可以进一步简化模型，仅考虑一半的通道和肋条

图1 用于高超音速发动机和单冷却通道模型的LMCS

对于LMCS来说，冷却通道的结构尺寸会影响液态金属的传热过程，长宽比和肋条厚度的变化会导致肋条效应和热分层效应。因此，探索结构参数对传热的影响，为液态金属获得合适的冷却通道非常重要。首先，在肋厚保持不变的情况下，探讨了长宽比对液态金属传热的影响;将长径比参数分别设置为0.2、0.5、1、2、4和8，对应的计算条件为C7∼C12。Z= 200 mm、Z= 250 mm、Z= 300 mm、Z= 350 mm、Z= 400 mm、Z= 450 mm平面上的温度场如图2所示。在高纵横比下，通道温度在垂直方向上的分层效应明显。通道中长宽比较大的液态金属对热传导的影响较大，这可能是由于增强的肋效应和液态金属的大导热系数的叠加。过高的长宽比可能导致液态金属在垂直方向上发生湍流，从而加剧热分层效应。因此，较小的长宽比有利于液态金属通道均匀的温度场。然而，肋条的存在有助于改善由通道的单个受热表面引起的热分层，因此过小的纵横比可能不利于传热

图2 不同长径比下通道内z面温度场，λ= 1, 2, 4, 8

图3分别给出了热通量为1.5 MW/m2和3 MW/m2时，沿不同长径比通道的热扩散率和温度不均匀系数分布。从图3（a）可以明显看出，热通量改变流体温度，液态金属的物理性质随温度变化。因此，随着热通量的增加，液态金属的热扩散率也增加。随着长径比从8减小到0.5，热扩散率显着增加，表明液态金属的冷却通道更适合较小的长径比。然而，当深宽比从0.5减小到0.2时，热扩散率几乎没有变化，这表明继续将深宽比减小到0.5以下对于通道内的热扩散意义不大。由图3(b)可知，减小长径比有利于减少热分层现象，且在高热流密度条件下热分层更为严重。在热通量为3 MW/m2和1.5 MW/m2时，通过调整长径比，温度不均匀系数可分别降低13%和7%，表明在热通量为3 MW/m2和1.5 MW/m2时，更需要有合适的长径比。另外，当长径比为0.5时，温度不均匀系数最低，当长径比继续减小时，温度不均匀系数反而增大。说明当长径比过小时，不利于改善温度分层

图3 沿通道不同纵横比的热扩散率和温度不均匀系数的分布

不同肋厚度下液态金属沿流道的平均温度和温度不均匀系数分布如图4所示。随着肋厚度的减小，平均温度和温度不均匀系数均减小。肋厚度的减少有助于改善热不均匀性，但不利于壁面能量的回收。在图4b中，所有情况的温度不均匀系数在Z=400mm处下降，并且D3在Z=300mm处下降。这是因为受传热效应和流体状态的综合影响，Z=300mm和400mm处截面最大温差减小

图4 不同肋厚度下液态金属沿通道的平均温度和温度不均匀系数分布

由于热通量和压力可能会对流量分布产生影响，因此设置E1至E8条件来研究不同压力和热通量下最佳冷却通道的传热性能。如图5所示，得到了沿通道不同压力下气体侧的壁温和传热系数。工况E1、E2、E3、E4的工作压力分别为0.1MPa、1MPa、2MPa、3MPa，热通量为1.5 MW/m2，工况E5、E6、E7、E8分别为0.1MPa、1MPa、2MPa、3MPa，热通量为3 MW/m2。由图5可知，在相同热通量下，当压力从0.1MPa增加到3MPa时，气侧壁温和传热系数几乎没有变化，说明压力对液体传热影响不大。金属，这可能是因为液态金属的物理性质在这个压力范围内几乎没有变化。但在相同压力条件下，随着热通量的增大，气侧壁温和传热系数均显着增大。这是因为在高热通量下，冷却剂和壁之间的温差增大

图5 沿通道不同压力作用下气体侧壁的壁温和传热系数

总结与展望

为了在燃烧室壁上获得合适的冷却通道，本文建立了冷却通道模型，构建了液态金属流动和传热的实验系统，以验证仿真的精度。实验结果与仿真结果吻合较好，绝对误差小于11 K，相对误差在3 %以内。仿真探讨了长径比和肋条厚度对液态金属传热过程的影响，得出的主要结论如下：

1.对于液态金属冷却通道，较小的长径比有利于均匀的温度场。但宽度过长会造成水平热分层，不利于传热。当热通量为3 MW/m2和1.5 MW/m2时，通过长径比可降低温度不均匀系数13%和7%，气体侧壁温度分别降低89K和47K。

2、出口在长径比为0.5时温度不均匀系数和焓不均匀系数最低，表明长径比为0.5有利于降低液态金属冷却通道的温度不均匀性，提高冷却水流道的温度不均匀性。壁能量回收率。然而，液态金属冷却通道的热工水力性能随着长径比的增加而增强。

3、随着肋厚度减小，液态金属的平均焓升高，焓不均匀系数减小。这表明，较小的肋厚度有利于均匀吸热，从而减少热分层。当肋板厚度减小到0.4mm左右时，热扩散率和气体侧壁温变化不大，继续减小肋板厚度的有益效果并不突出。

4、液态金属冷却通道的最佳长径比和肋板厚度分别为0.5和0.4毫米。压力对液态金属的传热影响不大。在1.5 MW/m2热流密度下，最佳冷却通道最高出口温度不大于730K，整个通道两侧温差不大于50K，而焓差不大于12kJ/kg，表明最佳冷却通道有效改善了热分层现象，具有较强的冷却能力

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