截面形状对超临界RP-3航空煤油微细通道温度分层特性与换热性能影响的数值研究

随着航空发动机推重比的持续提升，涡轮前进口温度已远远超出叶片材料的耐热极限，发展高效冷却技术成为突破性能瓶颈的关键。本文针对涡轮叶片双层壁冷却结构，提出将航空煤油微细通道嵌入冲击板一侧固体域的新型冷却方案，建立了全三维流/热/固耦合数值计算模型。基于广义对应状态法则，采用正十烷（49%）、1,3,5-三甲基环己烷（44%）和正丙基苯（7%）的三组分替代模型，结合NIST Supertrapp软件计算了超临界压力下RP-3航空煤油的热物性，并通过分段多项式拟合获得物性参数与温度的函数关系。以通道入口截面面积相同为设计原则，对比分析了正方形、矩形、圆形和梯形四种截面形状微细通道的流动换热特性及温度分层机理，并进一步探究了通道数量对矩形微细通道换热性能的影响规律。

一、航空发动高效冷却技术概述

1.1航空发动机冷却技术发展趋势

提高压气机增压比和涡轮进口温度是提升航空发动机推重比的有效途径。以F-35战斗机装配的F135-PW-100发动机为例，其推重比为10，涡轮前进口温度已达1850~1950K；而推重比为20的发动机，涡轮前进口温度将高达2200~2300K，远超现有涡轮叶片材料的耐热极限。美国在综合高性能涡轮发动机技术计划（IHPTET）中明确提出“如何在减少冷气流量的情况下提高燃气温度”这一技术难题，其解决途径一方面是研制新型耐高温材料和隔热涂层，另一方面是实施先进的高效冷却技术。

高效的冷却结构是避免气冷涡轮叶片受热损坏的关键，直接影响叶片冷却效率和航空发动机稳定性。现代涡轮常用的冷却方式可分为内部冷却和外部冷却两大类。在内部冷却方面，涡旋冲击冷却、扰流冷却、气膜孔形状优化等研究取得了显著进展。然而，随着涡轮前温度的持续攀升，传统的以压气机引气作为冷气的冷却方案面临冷气消耗量过大、冷却效率不足的困境。

在此背景下，燃油再生冷却技术受到广泛关注。该技术利用航空煤油作为热沉来冷却热端部件，早在1903年由Tsiolkovsky首次提出，最初应用于液体火箭发动机推力室，近年来已成功应用于超燃冲压发动机冷却结构设计。以美国航空煤油JP-8为例，1kg煤油从298K加热到800K，吸热量高达1600kJ左右，而相同质量的空气升高同样的温度，吸热量仅为507kJ左右。这一显著的吸热优势使得航空煤油成为极具潜力的冷却工质。

1.2 航空煤油冷却技术相关研究

超临界状态下的航空煤油具有独特的流动换热特性。煤油在拟临界点附近热物性发生剧烈变化，具有气态的扩散速率和黏性以及液态的密度，呈现出不同于一般强制对流的流动传热特性。范学军等通过实验发现，当煤油流量较小时壁面温度分布不均匀，随着流量增加不均匀性逐渐改善。仲峰泉等发现RP-3航空煤油达到超临界状态时，再生冷却通道内的对流换热将得到强化。王壮壮等采用10组分替代模型发现煤油换热和流阻在水平圆管内经历正常传热、传热恶化和传热强化三个模态变化。黄丹等通过数值模拟探究了超临界压力下煤油传热恶化现象及其抑制方法。李娜等研究了超临界压力下碳氢燃料在螺旋矩形冷却通道中的传热强化和恶化现象。

在微细通道研究方面，赵金辉等对比分析了圆形冷却通道与内螺纹冷却通道内超临界RP-3的流动换热特性，发现内螺纹可使壁面峰值温度平均降低约240K。寇志海等采用SST k-ω湍流模型对V肋通道内超临界航空煤油的流动换热特性进行了数值模拟。

值得注意的是，航空煤油在作为热沉使用时必须关注结焦问题。研究表明，当煤油温度高于423K后将产生氧化沉积结焦，温度高于723K时开始裂解沉积结焦。结焦会极大地增加壁面导热热阻，进一步加剧局部高温，最终可能堵塞通道。因此，获取准确的温度分布对避免燃油结焦十分必要。

综上，超临界状态下的航空煤油是航空发动机内极佳的换热工质，但如何在涡轮叶片中合理布置煤油微细通道、控制温度分布以避免结焦，是工程应用中的关键问题。本文针对涡轮叶片双层壁冷却结构，建立全三维流/热/固耦合数值模型，系统研究截面形状和通道数量对煤油微细通道流动换热特性的影响规律，为航空煤油热沉在涡轮叶片冷却设计中的应用提供数据支撑。

二、物理模型与数值方法

2.1 物理模型与边界条件

本文以涡轮叶片双层壁冷却结构为研究对象，在双层壁上端冲击板一侧的固体域内部布置煤油微细通道。以煤油微细通道入口截面面积相同为设计原则，分别设计了正方形、矩形、圆形和梯形四种不同截面形状的通道类型。

计算域采用全三维流/固/热耦合计算方式，几何模型采用单通道模型，模型长宽为2.5 mm × 3 mm。通道左右两侧边界设置为对称边界条件。来自主流燃气的高温热流通过气膜板将热量传递给双层壁结构内部的冷却空气，再传递至冲击板一侧的固体域，因此煤油微细通道的主要加热面集中在下壁面，设置下壁面为计算模型的加热面。梯形通道上下壁面均可加热，分别对其上下壁面设置加热面，加热表面热流密度设为1.2 MW/m²，其他壁面设为绝热边界条件。

为避免煤油温度超过700 K发生裂解反应和传热恶化，加热通道长度设置为500 mm，以保证煤油出口最高温度低于700 K。同时，为获得充分发展的流动并避免出口背压影响，在加热段前后各设置100 mm的额外入口段和出口段（超过50倍管径）。入口采用“质量流入口”条件，质量流量设定为3 g/s；出口采用“压力出口”条件，背压设定为3 MPa，高于RP-3航空煤油的临界压力（2.2 MPa），以保证煤油始终处于超临界状态。固体域选择高温镍基合金，导热系数约为23.2 W/(m·K)。

2.2 控制方程与湍流模型

本文采用基于压力的求解器进行三维稳态数值模拟。控制方程包括连续性方程、动量方程和能量方程，对于超临界流体，物性参数随温度剧烈变化，因此采用变物性处理。

湍流模型选用SST k-ω模型。该模型综合了k-ω模型在近壁面处理的优势和k-ε模型在远场计算的准确性，能够较好地预测超临界流体在微细通道内的流动换热特性。采用SIMPLEC算法处理压力-速度耦合问题。

2.3 网格划分与无关性分析

煤油微细通道采用结构化网格，使用ICEM软件进行网格划分。以圆形通道为基准开展网格无关性分析，选取粗、中、细三套网格，网格单元数分别为(28×36)×500、(40×50)×700和(56×70)×980（径向×轴向）。三种网格间的加密比为1.4，第一层网格高度设为0.001 mm，增长率为1.1，使近壁面处y⁺值约为1，以满足增强壁面函数的要求。

以煤油进出口压差、煤油与固体交界面平均温度以及固体加热面平均温度为观察变量。在粗、中、细三种网格密度下，三个变量的最大离散化误差均不超过1.0%。综合考虑计算精度与计算效率，后续研究均采用中网格配置。

2.4 数值方法验证

为验证数值模拟方法的准确性，以仲峰泉等开展的超临界RP-3航空煤油换热实验为基准进行模型验证。该实验采用长2.0 m、内径14 mm的304不锈钢圆管。针对该实验模型建模，考虑固体域传热，采用与实验相同的工况进行仿真计算。

对比沿程油温计算结果与实验值，二者吻合良好，最大误差不超过5%；沿程壁温计算结果与实验值的最大误差约为7%。验证结果表明，本文所采用的数值模型能够较为准确地模拟超临界航空煤油在管道内的流动传热过程。

三、RP-3航空煤油热物性计算方法

3.1 替代燃料模型

航空煤油作为碳氢化合物，物质组成极为复杂，包含C9~C16的多种烃类混合物、烷烃、芳香烃、不饱和烃、环烃及少量杂质，且其特性因产地和组成成分的不同而有较大差异。在发动机的不同工作状态（起飞、慢车、巡航、加力等）下，热负荷不同，航空煤油将经历液态、气态和超临界态三种不同的工作状态。煤油在拟临界点附近热物性发生剧烈变化，具有气态的扩散速率和黏性以及液态的密度，呈现出不同于一般强制对流的流动传热特性。因此，建立准确的替代燃料模型和物性预测方法是研究超临界航空煤油流动换热特性的前提。

替代燃料方法分为物理替代和化学替代。物理替代旨在获得与真实燃料相似的密度、热导率、比热容和黏度等热物理性质，用于研究流动换热过程；化学替代则侧重于匹配真实燃料的化学反应机理，用于研究点火、燃烧及结焦等特性。本文研究RP-3航空煤油的热物理特性，属于物理替代范畴。

大庆RP-3航空煤油在化学构成上与法国TRO航空煤油较为相似。本文采用范学军等提出的三组分替代模型，组成为：正十烷摩尔比49%，1,3,5-三甲基环己烷摩尔比44%，正丙基苯摩尔比7%。该替代模型已被广泛应用于RP-3航空煤油的热物性研究。

3.2 广义对应状态法则

真实燃料在加热后气体效应明显，对压力和温度的变化十分敏感，传统针对液体或气体单独采用单一状态方程的处理方法已不再适用。广义对应状态法则基于不同流体状态曲线的相似性，通过采用临界参数对状态变量进行无量纲化，利用已知流体的状态来求解未知流体的相关状态。

采用美国国家标准与技术研究院（NIST）开发的Supertrapp软件包计算RP-3航空煤油的热物性。该软件基于广义对应状态法则，已广泛应用于碳氢化合物热物性计算。计算得到的RP-3航空煤油临界温度为613 K，临界压力为2.38 MPa；实验测量值分别为646 K和2.4 MPa。基于热物性计算结果，采用分段多项式拟合方法获得煤油物性参数与温度的函数关系。

四、不同截面形状微细通道流动换热特性

4.1 截面形状参数选择

在航空发动机中，涡轮采用多级布置，单级涡轮叶片数量为30~90个不等，而航空煤油的总流量介于250~1000 g/s之间，分配到单个叶片的煤油流量十分有限。同时，涡轮叶片内外部冷却结构已十分复杂，引入微细通道将进一步增加加工难度。因此，在单个涡轮叶片内换热平板总宽度一定、煤油总流量有限的约束下，以煤油微细通道入口截面面积相同为设计原则，分别设计了正方形、矩形、圆形和梯形四种截面形状。计算中入口温度给定常温300 K，以RP-3航空煤油为工作介质。

4.2 温度分层特性及产生机理

沿加热段z方向从煤油入口到出口按相同截距截取6个截面进行分析。不同截面形状微细通道的煤油平均温度沿程分布表明，出口处煤油平均温度达到约520 K，较入口300 K提升了约220 K，已超过煤油氧化结焦温度423 K。然而，不同截面形状间的平均温度差别不大，最高温差仅为1 K左右，说明在相同壁面加热量和入口速度条件下，截面形状对煤油平均温度影响有限。

煤油最高温度的沿程分布则呈现出显著差异。矩形截面微细通道的煤油最高温度较其他截面低约30 K，圆形截面通道的煤油最高温度相对较高。局部较高的煤油温度往往导致壁面局部位置的严重结焦，结焦层增加导热热阻，进一步加剧局部高温，最终可能堵塞通道。因此，煤油最高温度是评价微细通道截面形状优劣的重要指标。

在z/L=0.6截面处，煤油温度云图显示同一截面内最高温度与最低温度之差高达165 K，高温区域主要集中在底部加热壁面附近，低温区域分布在通道中心偏上位置。这一现象的本质在于：单侧加热条件下，热量传递至煤油微细通道底部，在底部壁面形成局部高温区域；受煤油导热系数随温度剧烈变化的影响，热量传递过程中产生较大的温度梯度，即温度分层现象。温度分层反映了微细通道内的传热状态，与换热能力密切相关。在高热流密度条件下，严重的温度分层可能引发热阻塞，造成传热恶化，使局部壁面温度超过许用温度。

热扩散系数（α = k/(ρ·cₚ)）表征物体内部温度扩散的能力。热扩散系数越大，煤油对加热面传递热量的疏导能力越强，局部温度分层程度越小。从入口至出口，煤油沿y方向（垂直于加热面方向）的热扩散系数总体上呈逐渐降低趋势。但在近壁面处（y/h=0和y/h=1），热扩散系数明显低于主流区域，说明边界层内煤油的热扩散能力较差，温度分层现象明显。相较于顶部壁面（y/h=1），加热壁面（y/h=0）处的热扩散系数变化更为剧烈，因此温度分层主要集中在加热壁面处。随着流动发展，近壁面处热扩散系数变化幅度逐渐减弱，边界层与主流的热扩散能力趋于接近，温度分层现象逐渐减弱，煤油沿程温度分布的不均匀性随之降低。

对比四种截面形状，圆形截面微细通道的温度分布不均匀性最差，矩形截面微细通道的温度分布均匀性最佳。这主要得益于矩形通道底部受热面积较大，能够沿宽度方向有效分摊来自高温热流的热量，从而显著降低截面内煤油的最高温度。

4.3 流动换热特性分析

面积平均换热系数的沿程分布表明，矩形通道在底部受热面和顶部受热面上均具有最高的沿程换热系数。值得注意的是，顶部面相较于底部面具有更高的换热系数，这是因为底部面为直接受热面，壁面附近煤油具有更大的温度梯度，带来更大的热阻，导致换热系数偏低——这进一步验证了温度分层效应对换热性能的抑制作用。

不同截面形状煤油进出口平均温差很小，因此煤油的吸热量主要取决于对流换热系数h_s与换热面积A_x的乘积。矩形通道在对流换热系数和换热面积上均具有优势，因此在相同加热量条件下能够带走更多热量，更有效地降低固体域温度。

从煤油通道入口至出口，固体壁面温度呈均匀上升趋势，说明随着冷却通道长度的增加，煤油的吸热能力逐渐下降。在四种截面形状中，矩形通道具有最低的固体域最高壁面温度，且能够大幅降低固体截面上的整体温度，从而增强金属材料的耐热性。综合最高温度、温度均匀性和换热系数等多项指标，矩形截面微细通道是四种截面形状中的最优选择。

五、通道数量对矩形微细通道流动换热特性

5.1 通道数量参数选择

在涡轮叶片中，布置煤油微细通道的换热平板总宽度一定。在矩形通道结构参数固定的条件下，决定通道数量的关键参数是通道间的肋厚D。在发动机特定工况下，用于冷却的煤油总流量固定。本文在保证换热平板总宽度和煤油总流量一定的前提下，采用相同的计算模型，设计了四种不同通道数量的矩形微细煤油通道。矩形通道长宽保持不变，单个涡轮叶片内煤油总流量为15 g/s。

5.2 温度分层特性分析

不同数量微细通道的煤油平均温度沿程分布表明，通道数量对平均温度影响不大，最大温差仅为1 K左右。然而，煤油最高温度的沿程分布存在明显差异：在研究工况内，通道数量为5个时沿程截面最高温度相对较低，通道数量为3个时沿程截面最高温度相对较高。这表明在煤油总流量和换热平板总宽度一定的条件下，存在一个最优肋厚使煤油微细通道内沿程截面最高温度达到相对最低水平。

z/L=0.6截面处的温度云图显示，不同数量的煤油微细通道均产生类似的温度分层现象。温度分层现象主要与通道形状相关，通道数量的改变不改变其基本特征。值得注意的是，数量较多的煤油通道在靠近壁面处形成的高温区域明显大于数量较少的通道。这是因为数量较多的通道对应较低的煤油入口速度，形成的流动边界层厚度大于数量较少的通道。结合煤油最高温度的沿程分布可以看出，适当增加煤油通道数量可以增厚流动边界层，缓解沿程煤油最高温度，降低结焦风险；但当通道数量过多时，边界层厚度过度增加，反而会加剧煤油高温风险。

煤油温度不均匀性的沿程分布表明，通道数量为5个时温度均匀性最佳，这主要得益于沿程截面内煤油最高温度的改善。值得关注的是，随着煤油微细通道数量的减少，通道沿宽度和高度方向的温度不均匀性呈现相反的变化趋势。减少通道数量会增加沿宽度方向的温度不均匀性，但相应地减少沿高度方向的温度不均匀性。通道数量为6个和3个时分别对应两者的极值，这也解释了这两种工况下煤油沿程温度不均匀性最大的现象。

5.3 流动换热特性分析

面积平均换热系数的沿程分布表明，随着煤油通道数量的减少，底部受热面的换热系数沿程均得到较大提升。顶部面和侧面的换热系数分别在z/L=0.2和z/L=0.1处才获得提升，在此之前通道数量为5个时表现出了最大的换热系数。这说明温度分层现象会在一定程度上增加壁面处的换热热阻。

固体壁面温度的沿程分布表明，在本文研究工况下，煤油微细通道数量为5个时矩形微细通道具有最佳的换热性能。尽管减少通道数量能够增加单通道内煤油整体的换热系数，但数量的减少同样减小了煤油的总换热面积。因此，在换热平板总宽度和煤油总流量一定的条件下存在一个最优肋厚，使得平板换热效率最大化。

结论

本文针对涡轮叶片双层壁结构中煤油微细通道开展了流动换热特性数值研究，建立了全三维流/热/固耦合计算模型，基于广义对应状态法则和三组分替代模型计算了超临界压力下RP-3航空煤油的热物性，对比分析了四种截面形状和不同通道数量的流动换热特性，得到以下主要结论：

（1）在煤油微细通道单侧加热条件下，煤油会产生明显的温度分层现象，其物理机制在于近壁面边界层内煤油的热扩散系数显著低于主流区域，导致热量在壁面附近积聚形成局部高温区。随着煤油在通道内流动，边界层与主流之间热扩散系数的梯度逐渐减小，温度不均匀性逐渐减弱。

（2）在换热平板总宽度和煤油通道数量一定的条件下，矩形截面形状的煤油通道相较于圆形、正方形和梯形通道具有最优的综合性能：沿程煤油最高温度较圆形通道低约30 K；沿程及截面内沿高度和宽度方向的温度不均匀性最低；底部面和顶部面换热系数最大；固体域壁面温度最低。矩形通道的优越性源于其较大的底部受热面积能够沿宽度方向有效分摊热流，从而缓解局部过热。

（3）在换热平板总宽度和煤油总流量一定的条件下，矩形截面通道数量存在最优值。本文研究工况下，通道数量为5个时综合性能最佳：沿程煤油最高温度最低；沿程温度不均匀性最小；入口段顶部面和侧面换热系数最大；固体域壁面温度最低。通道数量的改变对沿宽度和高度方向的温度不均匀性产生相反的影响趋势，减少通道数量增加宽度方向温度不均匀性但降低高度方向温度不均匀性。

本研究揭示了超临界航空煤油在微细通道内的温度分层机理和截面形状效应，为航空煤油热沉在涡轮叶片冷却设计中的工程应用提供了理论依据和数据支撑。未来研究可进一步考虑煤油结焦动力学、通道内表面粗糙度效应以及多通道耦合传热等实际工程因素。