預冷組合發動機中微通道換熱器的仿真分析

朱 巖，馬 元，張蒙正

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

預冷組合發動機中微通道換熱器的仿真分析

朱 巖，馬 元，張蒙正

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

建立了預冷組合循環發動機（SABRE）的氫/氦微通道換熱器數學模型，進行換熱特性的仿真分析。計算結果表明：仿真分析的結果與文獻數據誤差在10%以內，并通過對換熱通道幾何尺寸的相似變換，獲得了微通道特征幾何參數隨雷諾數的響應曲線，以及氫/氦微通道換熱器在特征工況條件下的特性變化規律。

SABRE；微通道換熱器；數值仿真；特性分析

0 引言

近年來，重復使用航天運載器已成為航天運輸領域的重要方向，組合動力已成為核心發展方向[1]。預冷組合循環發動機（SABRE）是組合動力的一種特殊形式，引入來流空氣預冷技術來提升動力系統的綜合性能，拓寬發動機工作范圍[2]。SABRE發動機工作包含氫、氦、空氣、氧4種工質，多路循環耦合，系統集成度高[3]，具有吸氣式模態和火箭模態兩種工作模式。

SABRE發動機中核心換熱組件為氫/氦換熱器，燃料液氫的冷量首先通過換熱器傳遞至氦循環中的中間介質氦氣[4]，進而在空氣預冷器中由降溫后的氦氣預冷來流空氣，實現能量循環，使得壓氣機的增壓比可達150。氫/氦換熱器是發動機熱力循環的源頭，要求換熱器具有可靠性高、密封性好、換熱效率高、緊湊度高等性能指標，根據SABRE的論證方案，微通道換熱器為首選方案。

微通道換熱器研究始于二十世紀八十年代初，美國學者Tuckerman和Pease設計出一種用于超大規模集成電路散熱硅制造水冷肋片式換熱器[5-6]，熱流密度可達幾十W/cm2，緊湊度達到104m2/m3，比常規換熱器提高了2～3個數量級。……