再生冷卻弧肋通道跨臨界流動與傳熱特性數(shù)值研究

朱潔 韓懷志 楊陳罡 羅文 李象遠

摘? 要：本文采用SST k-ω湍流模型針對再生冷卻微肋結(jié)構(gòu)通道中正癸烷跨臨界流動與換熱性能進行了數(shù)值模擬研究，對比分析了光滑冷卻通道、直肋和弧肋冷卻通道的平均努塞爾特數(shù)、摩擦系數(shù)和綜合換熱因子。結(jié)果表明，光滑通道在跨臨界溫度區(qū)會產(chǎn)生傳熱惡化現(xiàn)象，而直肋和弧肋通道都可以有效抑制傳熱惡化，且弧肋通道的強化換熱效果整體優(yōu)于直肋通道。

關(guān)鍵詞：弧肋通道? 再生冷卻? 跨臨界流動? 強化傳熱? 正癸烷

中圖分類號：V231.1 ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（a）-0051-04

Abstract： The SST K-ω turbulence model is used to simulate the cross critical flow and heat transfer performance of n-decane in the regenerating cooling micro rib channel. The average Nusselt number， friction coefficient and comprehensive heat transfer factor of smooth cooling channel， straight rib and arc rib cooling channel are compared and analyzed. The results show that the heat transfer deterioration will occur in the smooth channel in the transcritical temperature region， and the straight rib channel and the arc rib channel can effectively inhibit the heat transfer deterioration， and the heat transfer enhancement effect of the arc rib channel is better than that of the straight rib channel as a whole.

Key Words： Arc rib channel; Regeneration cooling; Transcritical flow; Enhanced heat transfer; N-decane

高超聲速飛行器的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室常處于高溫燃氣中，碳氫燃料再生冷卻過程是其熱防護的關(guān)鍵。隨著飛行馬赫數(shù)的升高，壁面熱流也逐漸升高，外加再生冷卻通道細長、單側(cè)加熱的特點易導(dǎo)致超臨界碳氫燃料發(fā)生熱分層現(xiàn)象和擬臨界溫度附近的跨臨界溫度區(qū)的物性劇烈變化易導(dǎo)致局部傳熱惡化現(xiàn)象[1]，這些對發(fā)動機而言都是極大的安全隱患。因此發(fā)展再生冷卻通道內(nèi)的強化換熱技術(shù)是十分必要的。目前超臨界碳氫燃料再生冷卻通道中可強化換熱的結(jié)構(gòu)有直肋[2]、三角翼、球凹通道[3]以及波紋管[4]。

目前，肋結(jié)構(gòu)冷卻通道的換熱研究主要集中在太陽能空氣加熱器和渦輪葉片冷卻中，如弧形肋排布方式[5]強化換熱效果明顯，但工質(zhì)主要是空氣和水。本文研究的再生冷卻通道尺度更小，僅1～5mm，且再生冷卻管道中工質(zhì)主要為吸熱型碳氫燃料。本文將弧肋結(jié)構(gòu)引入再生冷卻通道，對光管、直肋和弧肋再生冷卻通道進行數(shù)值模擬研究，主要對比分析直肋和弧肋通道的流動與換熱特性。

1? 數(shù)值計算方法

1.1 物理模型和邊界條件

熱防護系統(tǒng)的再生冷卻通道是由多個矩形冷卻通道組成，典型的橫截面尺寸為1～5mm，屬于微細通道。由于通道結(jié)構(gòu)具有對稱性，選擇單根冷卻通道的一半作為計算域，如圖1（a）所示。

本文中再生冷卻通道結(jié)構(gòu)為方形，寬度W=2mm，高度H=2mm，壁厚δ=0.5mm。冷卻通道總長450mm，其中加熱段長度為300mm，入口段長度為90mm，出口段長度為60mm。

本文根據(jù)研究經(jīng)驗選取合理的肋結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)定肋寬e=0.3mm，肋高h=0.3mm，肋間距p=4.5mm，弧形肋圓心角θ=60°，如圖1（b）所示。

本文邊界條件為：入口質(zhì)量流量min=1.5g/s，入口溫度Tin=573K，出口壓力pout=3MPa（>pc=2.11MPa），熱流密度qw=1.2MW/m2，加熱面在通道底面。

1.2 熱物性參數(shù)

再生冷卻管道中工質(zhì)主要為航空煤油，其主要成分為正癸烷，故流體工質(zhì)選用正癸烷，其物性（密度ρ、定壓比熱容cp、熱導(dǎo)率λ和動力粘度μ）利用NIST Supertrapp軟件計算得出，將3MPa下300K～1000K范圍的物性采用插值方法嵌入控制方程。固體材料選用不銹鋼1Cr18Ni9，密度和比熱容按常物性處理，分別設(shè)置為7850kg/m3和500J/（kg·K）;熱導(dǎo)率線性插值為溫度的函數(shù)，即λ=0.0105T+13.765，單位為W/（m·K）。

1.3 網(wǎng)格劃分與計算方法

本文湍流模型采用SST k-ω模型，冷卻通道分為光滑通道和微肋通道，光滑通道采用ICEM進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，流體域第一層網(wǎng)格厚度為0.006mm，節(jié)點向內(nèi)擴展比率為1.2。微肋通道采用ANSYS Mesh進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，細化流體邊界層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格厚度為0.003mm，1.2比率向內(nèi)擴展10層。光滑和微肋通道的第一層網(wǎng)格均滿足y+≤1，整體網(wǎng)格y+≤5。

本文計算方法采用有限體積法對控制方程進行離散，對流項和擴散項分別采用二階迎風(fēng)和二階中心差分格式，選用SIMPLE數(shù)值算法處理壓力和速度的耦合，利用Fluent15.0雙精度分離求解器進行計算。

為了保證計算精度前提下盡量提高效率，對弧肋通道進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。設(shè)置了4種網(wǎng)格間距，分別為0.15mm、0.13mm、0.12mm和0.1mm。綜合考慮計算資源，本文數(shù)值模擬研究采用網(wǎng)格間距為0.12mm設(shè)置。

1.4 數(shù)值方法驗證

為了驗證數(shù)值模型的精確性，本文在相同條件下進行了實驗和數(shù)值模擬工作，實驗方管內(nèi)邊尺寸為3mm×3mm，壁厚0.5mm，長1000mm。工質(zhì)為正癸烷，入口質(zhì)量流量min=0.986g/s，入口溫度Tin=284.34K，背壓pout=3MPa，熱流密度qw=37kW/m2。6個熱電偶沿管程均布在試驗加熱段，測量壁溫數(shù)據(jù)。

圖2展示實驗和數(shù)值模擬得到的外壁溫對比，由圖2可知，所測量的實驗和數(shù)值模擬結(jié)果吻合很好，最大誤差不超過8%。這說明本文數(shù)值計算所選的湍流模型和計算條件設(shè)置能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測超臨界壓力正癸烷在方管中的傳熱。

2? 三種再生冷卻通道內(nèi)壁面處的換熱性能計算結(jié)果與分析

表1比較了min=1.5g/s、Tin=573K、pout=3MPa以及qw=1.2MW/m2工況下，光滑通道、直肋通道和弧肋通道三種冷卻通道的壁面平均努塞爾特數(shù)、阻力系數(shù)和綜合換熱因子。由表1可知，直肋和弧肋通道相比于光滑通道，平均努塞爾特數(shù)分別提高了81.4%和147.8%，同時摩擦系數(shù)分別提高了116.3%和238.2%，綜合換熱因子分別達到了1.40和1.65。這說明弧肋結(jié)構(gòu)不但能有效提高再生冷卻通道的整體的傳熱性能，并且綜合換熱性能也能得到明顯提升。

微肋通道換熱性能的提高有部分原因是換熱面積的增加，為更準(zhǔn)確地分析不同微肋通道的換熱性能，需去除因為換熱面積增加而提高的通道換熱效果，給出參數(shù)（Nu/Nu0）/（A/A0）。由表1可知，去除換熱面積增加這一因素后，直肋和弧肋通道（Nu/Nu0）/（A/A0）相比于光滑通道分別提高了60.3%和117.7%。說明肋結(jié)構(gòu)通過改變流場進行了強化換熱，并且弧肋結(jié)構(gòu)比直肋結(jié)構(gòu)的強化換熱作用更加明顯。

圖3展示了min=1.5g/s、Tin=573K、pout=3MPa以及qw=1.2MW/m2工況下，光滑通道和微肋通道的加熱段x=90～390mm的壁面溫度以及努塞爾特數(shù)的沿程分布規(guī)律。由圖可知，光滑通道在前1/4加熱段處內(nèi)壁溫度迅速增長，且在加熱段的1/3前后，局部壁面溫度出現(xiàn)了極大值約1280K，而對應(yīng)的努塞爾特數(shù)則出現(xiàn)了局部極小值，發(fā)生了明顯的傳熱惡化現(xiàn)象。這是由于此段溫度范圍處于正癸烷的跨臨界區(qū)域，該區(qū)域物性變化劇烈，導(dǎo)致了傳熱惡化。

對于微肋通道，內(nèi)壁升溫速度比光滑通道緩慢得多，整體溫度明顯下降，而對應(yīng)的努塞爾特數(shù)則明顯增加。直肋通道在加熱段約為x=200mm的位置，流體溫度出現(xiàn)了一個小幅度的增大區(qū)域，對應(yīng)的努塞爾特數(shù)也出現(xiàn)了小幅度的減小區(qū)域，說明此區(qū)域也發(fā)生了一定程度的傳熱惡化，但內(nèi)壁溫度極大值不超過970K，遠小于光滑通道傳熱惡化區(qū)域的溫度極大值。弧肋通道內(nèi)壁溫度沿流動方向一直平緩上升，幾乎沒有出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象，并且內(nèi)壁溫度比直肋通道明顯降低，整體降低約70K，這說明弧肋結(jié)構(gòu)的引入能夠極大減緩?fù)ǖ纼?nèi)流體的升溫速度，增強通道內(nèi)對流換熱系數(shù)，從而有效地抑制傳熱惡化的發(fā)生。

3? 結(jié)語

本文針對光滑、直肋和弧肋再生冷卻通道跨臨界正癸烷流動與換熱特性進行了數(shù)值模擬研究，得到結(jié)論如下：（1）在min=1.5g/s、Tin=573K、pout=3MPa以及qw=1.2MW/m2工況下，光滑通道在x=200mm處出現(xiàn)了明顯的傳熱惡化現(xiàn)象，內(nèi)壁溫最高達到了1280K，直肋通道該處有輕微傳熱惡化，內(nèi)壁溫最高不超過970K，而弧肋通道比直肋通道內(nèi)壁溫整體降低了約70K。（2）同工況下，弧肋結(jié)構(gòu)比直肋結(jié)構(gòu)有更好的流動傳熱性能。直肋和弧肋通道相比于光滑通道，平均努塞爾特數(shù)分別提高了81.4%和147.8%，去除面積影響也分別能夠提高60.3%和117.7%，摩擦系數(shù)分別提高了116.3%和238.2%，綜合換熱因子分別達到了1.40和1.65。

參考文獻

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