組合發(fā)動(dòng)機(jī)微細(xì)通道氦加熱器設(shè)計(jì)與流動(dòng)換熱

張敬旋，李光熙，南向誼，馬 元，唐桂華

(1．西安交通大學(xué) 熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 7100492．西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(synergetic air-breathing rocket engine，SABRE)是英國REL(Reaction Engines Ltd)公司設(shè)計(jì)的一種預(yù)冷組合發(fā)動(dòng)機(jī)，具有工作范圍寬、燃料消耗量低、可重復(fù)利用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是未來極具有前景的新型動(dòng)力。SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是輕質(zhì)緊湊高效的換熱器，系統(tǒng)主要包括三大換熱器，分別是與深冷空氣換熱的空氣預(yù)冷器HX1、與預(yù)燃室排氣換熱的氦加熱器HX3、與氫氣換熱的氫氦回?zé)崞鱄X4。氦加熱器HX3的換熱工質(zhì)為氦氣和預(yù)燃室高溫燃?xì)猓渲饕饔檬前训蜏睾饧訜岬揭欢囟龋?qū)動(dòng)氦渦輪。

文獻(xiàn)中對(duì)氦加熱器(HX3)的結(jié)構(gòu)研究較少，REL公司的研究表明，氦加熱器(HX3)不會(huì)影響系統(tǒng)熵守恒，為了減輕換熱器重量，可以選擇橫流結(jié)構(gòu)替代逆流結(jié)構(gòu)，并且可以將換熱器分解為大量相同模塊。對(duì)于換熱器設(shè)計(jì)而言，精確可靠的換熱流阻關(guān)聯(lián)式至關(guān)重要。對(duì)于管內(nèi)換熱，Dittus-Boelter提出的由雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)組合的關(guān)聯(lián)式，得到了廣泛應(yīng)用。Gnielinski通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的關(guān)聯(lián)式具有較高的精度。對(duì)于流體外掠管束換熱，Zukauskas基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的順排及叉排關(guān)聯(lián)式，可以在很寬的Pr(Prandtl Number)數(shù)范圍內(nèi)使用。此后Khal等考慮管間距和管徑相對(duì)大小對(duì)管束換熱的影響，采用數(shù)值模擬方法對(duì)Zukauskas關(guān)聯(lián)式的系數(shù)進(jìn)行了修正。

然而，文獻(xiàn)中對(duì)管內(nèi)外流動(dòng)換熱的研究主要集中在10 mm以上的大通道，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與關(guān)聯(lián)式預(yù)測結(jié)果偏差在20 %左右。……