超声速燃烧室再生冷却结构对传热的影响分析

， ，

(1.中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120;2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

超声速燃烧室再生冷却结构对传热的影响分析

张明哲1，艾青2，刘华2

(1.中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120;2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

采用有限容积法结合对流换热关联式与蒙特卡罗法，建立了超声速燃烧室再生冷却通道的耦合换热计算模型。冷却燃料为煤油，其密度、导热系数、动力粘度随温度和压力变化，煤油比热容与金属结构的热物性随温度变化。在考虑再生冷却面板尺寸与冷却燃料量保持不变的耦合性限制条件下，计算分析了非均匀热流密度下，冷却通道内壁厚度、高度、宽度及侧肋厚度对冷却性能的影响。研究结果表明，通道结构参数的变化引起结构传热热阻和冷却剂对流换热性能以及总换热面积、通道个数的变化，在传热分析中应综合考虑。

超声速燃烧室；非均匀热流；再生冷却；结构参数；耦合换热

再生冷却以其突出的优点成为超燃冲压发动机燃烧室热防护的重要手段[1]。近年来许多研究者从不同方面对再生冷却技术开展了研究。蒋劲等人建立了一种再生冷却的二维热分析模型，并与电弧风洞试验数据进行了比较[2]；Youn均匀热流边界条件下，不同结构材料及冷却剂流量对再生冷却的影响[3]。牛禄等人对表面粗糙度对换热的强化作用进行了分析[4-5]；吴峰等人分析了火箭发动机推力室再生冷却的影响[6]；李军伟等人以水为冷却工质对推力室再生冷却的传热进行了分析[7]。这些研究通常是针对单个通道的性能分析，对再生冷却系统冷却面板尺寸及冷却工质流量给定条件下的结构参数变化引起的耦合性热影响缺乏研究。

本文在考虑再生冷却面板尺寸与冷却燃料量保持不变的耦合性限制条件下，通过建立模型进行计算，综合分析了非均匀热流密度下，冷却通道内壁厚度、高度、宽度及侧肋厚度等结构参数对再生冷却面板冷却性能的影响。

1 物理模型与控制方程

1.1 简化假定

槽道式再生冷却面板流通截面如图1所示，在矩形通道中高速流动的冷却剂对壁面进行冷却，将来自燃烧室高温燃气的热流通过壁面传给冷却剂。由于超音速燃烧室冷却的复杂性，为分析结构参数的影响，假设：(1)冷却剂无相变潜热的释放吸收，为单相流动；(2)忽略通道拐角处的连通长度，冷却剂在拐角两侧温度一样，但考虑速度和压力变化;(3)侧肋对称面为绝热面；(4)冷却通道材料和冷却剂均为漫灰体；(5)忽略冷却通道向环境的散热。因此，交叉布置的冷却面板可以近似看作多个冷却通道的串联。

图1 再生冷却面板示意图

1.2 冷却通道换热模型

冷却通道单元的换热模型如图2所示，单元长度为H，宽为(xi+1-xi)，冷却剂通过辐射-对流换热冷却通道壁面，壁面热流满足关系

(1)

图2 冷却通道单元换热模型

依据冷却剂流动方向上的能量守恒，通过该单元i时冷却剂吸收的热流量为

(2)

式中Gm——冷却剂的质量流量；

Cp,i——冷却通道i内的冷却剂的平均定压比热；

单位时间燃气传给冷却通道单元i对应的燃烧室壁面的辐射-对流热流量为

(3)

依据假设条件，由能量守恒可知，稳态时燃气传入的热量经过内壁，全部被冷却剂吸收，则冷却单元i传热方程满足关系式

(4)

因此，冷却剂的温度可表示为

(5)

1.3 控制方程和边界条件

冷却通道单元截面几何结构如图3所示，通道结构的二维稳态导热微分方程为

(6)

图3 冷却通道截面示意图

再生冷却中燃烧室壁面有时用隔热涂层。由于涂层的导热系数很小，相当于增加了额外的热阻。讨论中采用与燃烧室内壁等同的假设，隔热涂层的导热系数随温度变化很小，假定在所关心的温度范围内保持不变，通过涂层的稳态热传导也可由傅立叶定律求得。

冷却通道壁面对流换热系数采用Petukhov实验关联式计算[8]:

(7)

式中 de——当量直径；

ReD——雷诺数;

Pr——普朗特数;

x——距入口的距离；

ξ——通道内湍流流动的达尔西阻力系数。

按弗罗年柯(Filonenko)公式计算；Nu∞为平均努塞尔数，依据流动状态可分别采用下式计算:

Nu,

2300≤ReD≤104,0.5≤Pr≤200

(8a)

Nu,

104≤ReD≤5×106,0.5≤Pr≤5×105

(8b)

冷却通道壁面与冷却剂间的辐射传热采用蒙特卡罗法计算[9]，壁面处的辐射热流为

(9)

式中 Ms、Mv——参加辐射换热的面元、体元数;

S——面元参与辐射的面积;

ε——发射率;

V——体元的体积;

κ——冷却剂吸收系数;

RDi,j——单元i对单元j的辐射传递因子。

冷却剂选用航空煤油，其密度采用Peng-Robinson状态方程，定压比热、导热系数和动力粘度参看文献[10]。航空煤油的光谱吸收指数取自文献[11]，采用平均吸收系数计算其介质辐射。冷却通道内的压力损失由沿程损失和局部损失两部分组成，文献[12]分别给出了两种损失的计算公式。

2 数值计算

计算中保持再生冷却面板尺寸与冷却燃料量恒定，依据假设条件将整个冷却面板视为多个冷却通道的串联，因此计算包括冷却剂与通道结构两部分。

冷却剂传热性能模拟从冷却面板入口侧开始逐个进行迭代计算。依据通道结构的几何参数，确定计算通道的几何位置，据此计算燃气侧加热热流，通过该通道内冷却剂的能量守恒和沿程压降的联立方程，依据入口等边界条件，迭代求解出冷却剂在此通道出口处的温度、压强和速度，为通道结构传热计算提供热边界条件。通道结构采用内节点法对固相区域进行离散，在温度变化剧烈的基板处加密网格，计算通道内壁面和冷却剂间辐射换热的网格与固相区域的网格相匹配；采用控制容积积分法建立离散方程；边界条件的处理采用附加源项法。内边界EFGH各单元的辐射换热热流、对流换热系数均是局部壁面温度的函数，而内壁温是未知量，需迭代，故内边界处的对流、辐射均需迭代。

3 计算结果及讨论

某超燃冲压发动机燃烧室再生冷却面板长L=1.8 m，宽H=0.115 m，通道结构初始参数如表1所示。冷却通道采用交叉布置方式，面板材料为镍基合金Inconel617，表面发射率为0.85，冷却剂为航空煤油，流动方向与燃气流方向相反，质量流量Qm=0.2 kg/s，入口压强p=3.0 MPa。燃气侧热流密度通过Fluent软件模拟，参见文献[13]，如图4所示。

表1 通道结构初始参数

图5、图6是燃烧室与冷却通道间不同壁厚e对结构温度场的影响。在其他参数恒定的情况下，对壁厚分别为0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm进行分析。可看出，随着壁厚度减小，燃气侧壁面温度降低，壁两侧的温差随之减少。当壁厚从1.2 mm降到0.8 mm时，燃气侧壁温度降幅达10.7%，内壁温差降幅达40.8%。这是由于内壁厚度的变化造成结构传热热阻的变化所致，因此内壁厚度对再生冷却面板传热性能有重要影响。

图4 再生冷却通道燃气侧热流密度

图5 内壁厚度与气壁温度关系

图6 内壁厚度与内壁温差关系

图7是不同通道高度对结构温度场的影响。可看出，在其他参数恒定的情况下，只增加冷却通道的高度，燃气侧壁面温度也随之增加。这是因为冷却通道高度的增加会引起侧壁肋效应的增强和冷却剂流动面积增大两种效果，而冷却剂流动面积增大会造成流速的减小，从而导致冷却剂的对流换热能力下降。对冷却通道而言，后者的作用强于前者，所以最终表现为冷却效果降低。

图8是不同通道宽度对结构温度场的影响。可看出，在其他参数恒定的情况下，随冷却通道的宽度增加，燃气侧壁面温度也增加。这是因为通道宽度变化时，会造成冷却剂流通面积和单个通道宽度的变化，使冷却剂换热性能和冷却面板通道个数均随之变化，这两种作用将随通道宽度增加减弱冷却面板的冷却效果。

图7 冷却通道高度的影响

图8 冷却通道宽度的影响

图9为不同侧肋厚度对通道结构温度场的影响。再生冷却通道的侧壁相当于肋片，当肋片的换热环境相同时，增大肋片厚度能够显著的强化换热。但是对再生冷却面板而言，冷却通道侧壁厚度的变化同样会造成各通道位置、通道个数及冷却剂流动状态等参数变化，使其换热环境发生变化，因此不能机械套用肋片理论对冷却面板通道侧壁的作用给予定性解释。由图9可看出，随侧壁厚度的增加，燃气侧壁面温度不是肋片理论所预测的降低，而是升高。

这是因为在其他参数恒定的情况下，侧壁厚度的增加会减少面板内冷却通道的数目，从而间接导致冷却剂的换热面积降低，引起冷却效果的下降，并且该作用强于侧壁的肋片效应。

图9 侧壁厚度的影响

4 结论

本文在考虑再生冷却面板尺寸与冷却燃料量保持不变的耦合性限制条件下，计算分析了非均匀热流密度下，冷却通道内壁厚度、高度、宽度及侧肋厚度对冷却性能的影响。研究结果表明：

(1)燃烧室与冷却通道间壁厚的变化造成结构传热热阻的变化，对再生冷却面板的传热性能有重要影响；

(2)只增加冷却通道的高度时，壁肋效应增强的同时会减弱冷却剂与壁面间的换热作用，冷却作用变化应视具体情况而定；

(3)只增加通道宽度，不仅减弱了冷却剂与壁面间的换热作用，同时减少了冷却面板内的通道个数，导致燃烧室壁面温度明显升高，减弱冷却效果；

(4)通道数固定情况下增加侧壁厚度，会减少通道宽度，因此在增强侧壁肋片效应的同时增强了冷却剂的换热能力，增强了冷却面板的冷却作用。而在其它参数恒定的情况下，单独增加侧壁厚度，在增强侧壁肋片效应的同时减少面板内冷却通道的数目，从而导致冷却剂的换热面积降低，引起冷却效果的下降，因此不能机械套用肋片理论对交叉布置的冷却面板侧壁作用给予定性解释。

[1]Lorenzo V,Natasha V,Kathryn H,Frank WZ,Anthony GE.Design of actively cooled panels for scramjets[C].2006,AIAA-2006-8069.

[2]蒋劲,张若凌,乐嘉陵.超燃冲压发动机再生冷却热结构设计的计算工具[J].实验流体力学,2006,20(3):1-7.

[3]Youn B,Mills AF.Cooling panel optimization for the Active cooling system of a hypersonic aircraft[J].Thermophysics and Heat Transfer.1995,9(1):136-143.

[4]牛禄,程惠尔,等.高宽比和粗糙度对再生冷却通道流动的影响[J].上海交通大学学报,2002,36(11):1612-1615.

[5]陈建华,杨宝庆，周立新,等.人为粗糙度强化换热机理分析及效果评估[J].火箭推进,2004,30(4):1-5.

[6]吴峰,王秋旺,罗来勤,等.液体火箭发动机推力室冷却通道传热优化计算[J].推进技术,2006,27(3):197-200.

[7]李军伟,刘宇.三维数值模拟再生冷却喷管的换热[J].推进技术,2005,26(2):111-115.

[8]Petukhov BS·,Genin LG.,Kovalev SA.Heat transfer in nuclear power equipment[M].Energoatomizdat Press.1986:342-367.

[9]谈和平,夏新林,刘林华,等.红外辐射传输的数值计算[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005:157-173.

[10]万俊华,刘顺隆.流体分子理论及性质[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1994.139-142.

[11]L.A.Dombrovsky,S.S.Sazhin.Spectral properties of diesel fuel droplets[J].Fuel,2003,82:15-22.

[12]W.M.罗森诺,等主编.传热学基础手册[M].齐欣译.北京:科学出版社,1992:478-492.

[13]艾青,夏新林,孙凤贤.壁面热特性对超声速燃烧室热环境的影响[J].工程热物理学报,2009,30(8):1374-1376.

CoupledThermalEffectsofChannelParametersontheRegenerationCoolingofaSupersonicCombustor

ZHANG Ming-zhe1,AI Qing2,LIU Hua2

(1.China Aviation Planning and Construction Development Co.Ltd.,Beijing 100120,China;2.School of Energy Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

Heat transfer in regenerative cooling channel of supersonic combustor was numerically investigated by combining Finite Volume Method, empirical relations of heat convection and Monte Carlo Method. The coolant was kerosene, whose thermal properties are of such as density, thermal conductivity, dynamical viscidity, etc. varied with both temperature and pressure. The specific heat of kerosene and thermal properties of solid metal varied with temperature. The regenerative cooling panel dimension and coolant mass flow rate remain constant. For non-uniform heat flux distribution, the simulation results show that change of channel structure parameters on the regeneration cooling will cause thermal resistance of metal structure, coefficient of coolant heat transfer, heat exchange area and number of channel to variety. So those factors should be comprehensively considered in the research.

empirical supersonic combustor;non-uniform regenerative cooling;structure parameters;coupled heat transfer

2013-08-11修订稿日期2013-02-27

哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目(No.2012RFQXG079)

张明哲(1979～)，男，工程师。

V235.21

A

1002-6339 (2014) 04-0308-04