再生冷却弧肋通道跨临界流动与传热特性数值研究
时间：2021-02-06 10:05:12 来源：达达文档网 本文已影响 人 
朱洁 韩怀志 杨陈罡 罗文 李象远
摘 要：本文采用SST k-ω湍流模型针对再生冷却微肋结构通道中正癸烷跨临界流动与换热性能进行了数值模拟研究，对比分析了光滑冷却通道、直肋和弧肋冷却通道的平均努塞尔特数、摩擦系数和综合换热因子。结果表明，光滑通道在跨临界温度区会产生传热恶化现象，而直肋和弧肋通道都可以有效抑制传热恶化，且弧肋通道的强化换热效果整体优于直肋通道。
关键词：弧肋通道 再生冷却 跨临界流动 强化传热 正癸烷
中图分类号：V231.1 文献标识码：A 文章编号：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
高超声速飞行器的超燃冲压发动机燃烧室常处于高温燃气中，碳氢燃料再生冷却过程是其热防护的关键。随着飞行马赫数的升高，壁面热流也逐渐升高，外加再生冷却通道细长、单侧加热的特点易导致超临界碳氢燃料发生热分层现象和拟临界温度附近的跨临界温度区的物性剧烈变化易导致局部传热恶化现象[1]，这些对发动机而言都是极大的安全隐患。因此发展再生冷却通道内的强化换热技术是十分必要的。目前超临界碳氢燃料再生冷却通道中可强化换热的结构有直肋[2]、三角翼、球凹通道[3]以及波纹管[4]。
目前，肋结构冷却通道的换热研究主要集中在太阳能空气加热器和涡轮叶片冷却中，如弧形肋排布方式[5]强化换热效果明显，但工质主要是空气和水。本文研究的再生冷却通道尺度更小，仅1～5mm，且再生冷却管道中工质主要为吸热型碳氢燃料。本文将弧肋结构引入再生冷却通道，对光管、直肋和弧肋再生冷却通道进行数值模拟研究，主要对比分析直肋和弧肋通道的流动与换热特性。
1 数值计算方法
1.1 物理模型和边界条件
热防护系统的再生冷却通道是由多个矩形冷却通道组成，典型的横截面尺寸为1～5mm，属于微细通道。由于通道结构具有对称性，选择单根冷却通道的一半作为计算域，如图1（a）所示。
本文中再生冷却通道结构为方形，宽度W=2mm，高度H=2mm，壁厚δ=0.5mm。冷却通道总长450mm，其中加热段長度为300mm，入口段长度为90mm，出口段长度为60mm。
本文根据研究经验选取合理的肋结构尺寸，设定肋宽e=0.3mm，肋高h=0.3mm，肋间距p=4.5mm，弧形肋圆心角θ=60°，如图1（b）所示。
本文边界条件为：入口质量流量min=1.5g/s，入口温度Tin=573K，出口压力pout=3MPa（>pc=2.11MPa），热流密度qw=1.2MW/m2，加热面在通道底面。
1.2 热物性参数
再生冷却管道中工质主要为航空煤油，其主要成分为正癸烷，故流体工质选用正癸烷，其物性（密度ρ、定压比热容cp、热导率λ和动力粘度μ）利用NIST Supertrapp软件计算得出，将3MPa下300K～1000K范围的物性采用插值方法嵌入控制方程。固体材料选用不锈钢1Cr18Ni9，密度和比热容按常物性处理，分别设置为7850kg/m3和500J/（kg·K）;热导率线性插值为温度的函数，即λ=0.0105T+13.765，单位为W/（m·K）。
1.3 网格划分与计算方法
本文湍流模型采用SST k-ω模型，冷却通道分为光滑通道和微肋通道，光滑通道采用ICEM进行结构化网格划分，流体域第一层网格厚度为0.006mm，节点向内扩展比率为1.2。微肋通道采用ANSYS Mesh进行非结构化网格划分，细化流体边界层网格，第一层网格厚度为0.003mm，1.2比率向内扩展10层。光滑和微肋通道的第一层网格均满足y+≤1，整体网格y+≤5。
本文计算方法采用有限体积法对控制方程进行离散，对流项和扩散项分别采用二阶迎风和二阶中心差分格式，选用SIMPLE数值算法处理压力和速度的耦合，利用Fluent15.0双精度分离求解器进行计算。
为了保证计算精度前提下尽量提高效率，对弧肋通道进行网格无关性验证。设置了4种网格间距，分别为0.15mm、0.13mm、0.12mm和0.1mm。综合考虑计算资源，本文数值模拟研究采用网格间距为0.12mm设置。
1.4 数值方法驗证
为了验证数值模型的精确性，本文在相同条件下进行了实验和数值模拟工作，实验方管内边尺寸为3mm×3mm，壁厚0.5mm，长1000mm。工质为正癸烷，入口质量流量min=0.986g/s，入口温度Tin=284.34K，背压pout=3MPa，热流密度qw=37kW/m2。6个热电偶沿管程均布在试验加热段，测量壁温数据。
图2展示实验和数值模拟得到的外壁温对比，由图2可知，所测量的实验和数值模拟结果吻合很好，最大误差不超过8%。这说明本文数值计算所选的湍流模型和计算条件设置能够比较准确地预测超临界压力正癸烷在方管中的传热。
2 三种再生冷却通道内壁面处的换热性能计算结果与分析
表1比较了min=1.5g/s、Tin=573K、pout=3MPa以及qw=1.2MW/m2工况下，光滑通道、直肋通道和弧肋通道三种冷却通道的壁面平均努塞尔特数、阻力系数和综合换热因子。由表1可知，直肋和弧肋通道相比于光滑通道，平均努塞尔特数分别提高了81.4%和147.8%，同时摩擦系数分别提高了116.3%和238.2%，综合换热因子分别达到了1.40和1.65。这说明弧肋结构不但能有效提高再生冷却通道的整体的传热性能，并且综合换热性能也能得到明显提升。
微肋通道换热性能的提高有部分原因是换热面积的增加，为更准确地分析不同微肋通道的换热性能，需去除因为换热面积增加而提高的通道换热效果，给出参数（Nu/Nu0）/（A/A0）。由表1可知，去除换热面积增加这一因素后，直肋和弧肋通道（Nu/Nu0）/（A/A0）相比于光滑通道分别提高了60.3%和117.7%。说明肋结构通过改变流场进行了强化换热，并且弧肋结构比直肋结构的强化换热作用更加明显。
图3展示了min=1.5g/s、Tin=573K、pout=3MPa以及qw=1.2MW/m2工况下，光滑通道和微肋通道的加热段x=90～390mm的壁面温度以及努塞尔特数的沿程分布规律。由图可知，光滑通道在前1/4加热段处内壁温度迅速增长，且在加热段的1/3前后，局部壁面温度出现了极大值约1280K，而对应的努塞尔特数则出现了局部极小值，发生了明显的传热恶化现象。这是由于此段温度范围处于正癸烷的跨临界区域，该区域物性变化剧烈，导致了传热恶化。
对于微肋通道，内壁升温速度比光滑通道缓慢得多，整体温度明显下降，而对应的努塞尔特数则明显增加。直肋通道在加热段约为x=200mm的位置，流体温度出现了一个小幅度的增大区域，对应的努塞尔特数也出现了小幅度的减小区域，说明此区域也发生了一定程度的传热恶化，但内壁温度极大值不超过970K，远小于光滑通道传热恶化区域的温度极大值。弧肋通道内壁温度沿流动方向一直平缓上升，几乎没有出现传热恶化现象，并且内壁温度比直肋通道明显降低，整体降低约70K，这说明弧肋结构的引入能够极大减缓通道内流体的升温速度，增强通道内对流换热系数，从而有效地抑制传热恶化的发生。
3 结语
本文针对光滑、直肋和弧肋再生冷却通道跨临界正癸烷流动与换热特性进行了数值模拟研究，得到结论如下：（1）在min=1.5g/s、Tin=573K、pout=3MPa以及qw=1.2MW/m2工况下，光滑通道在x=200mm处出现了明显的传热恶化现象，内壁温最高达到了1280K，直肋通道该处有轻微传热恶化，内壁温最高不超过970K，而弧肋通道比直肋通道内壁温整体降低了约70K。（2）同工况下，弧肋结构比直肋结构有更好的流动传热性能。直肋和弧肋通道相比于光滑通道，平均努塞尔特数分别提高了81.4%和147.8%，去除面积影响也分别能够提高60.3%和117.7%，摩擦系数分别提高了116.3%和238.2%，综合换热因子分别达到了1.40和1.65。
参考文献
[1] 王彦红，李素芬，东明.方形再生冷却通道内超临界正癸烷湍流传热数值研究[J].推进技术，2015，36（10）：1669-1676.
[2] 李欣.微细通道超临界碳氢燃料微肋低阻强化换热研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.
[3] 谢凯利.小尺度矩形通道内碳氢燃料流动及强化传热研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.
[4] 黄世璋，阮波，高效伟.超临界压力低温甲烷波纹管内强化换热数值研究[J].航空学报，2016，38（5）：120515.
[5] XIE Gongnan，LIU Xueting，YAN Hongbin， et al. Turbulent flow characteristics and heat transfer enhancement in a square channel with various crescent ribs on one wall[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2017（115）：283-295.
[6] 王延兵.板式换热器传热与流动[J].科技创新导报，2015，12（24）：94-95.
