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【博创微展第1期】

李勇：再生冷却通道内非裂解/裂解工况下超临界碳氢燃料流动与传热特性研究

与导师谢公南教授合影

标题：再生冷却通道内非裂解/裂解工况下超临界碳氢燃料流动与传热特性研究

作者：李 勇

指导教师：谢公南 教授

访学导师：Bengt Sundén教授

培养单位：机电学院、瑞典隆德大学能源科学系

学科：航空宇航制造工程

读博寄语：稳扎稳打，乐于其中。感恩之情，溢于言表。不忘初心，砥砺前行。

研究背景

高超声速飞行器因其隐身性能好、飞行速度快（马赫5以上）、打击范围广和有效载荷大等优点而成为各军事强国大力研制的新概念空中作战平台，动力装置的选取至关重要，图1为火箭发动机、涡喷发动机、亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机形式及不同燃料作用下的飞行包线，可以发现：氢燃料和碳氢燃料吸气式发动机的比冲高于非吸气式的火箭发动机；涡轮涡扇发动机因涡轮叶片的耐温问题，飞行速度一般低于马赫3；亚燃冲压发动机中超声速气流通过进气道被压缩至亚声速导致循环效率降低，仅可实现马赫3-5范围内的飞行；此外，氢燃料在储运等方面要求较高，低密度氢燃料会导致结构体积和重量的增加，同时存在“氢脆”现象，碳氢燃料不存在上述缺陷。因此以碳氢燃料为推进剂的超燃冲压发动机被普遍认为是高超声速飞行器的理想动力装置。

图1航空航天发动机形式及不同燃料作用下的飞行包线

超燃冲压发动机在高超声速下飞行，燃烧释热和气动加热双重作用使得燃烧室的热负荷剧增，当马赫数为6.5时，燃烧室温度达2800 K；当飞行马赫数达到8以上时，燃烧室温度接近4000 K，因此热防护对超燃冲压发动机燃烧室安全运行至关重要。采用自身燃料（超临界态）作为冷却剂的主动再生冷却技术被认为是解决燃烧室热管理的最有效途径之一。图2给出了超燃冲压发动机主动再生冷却技术示意图，碳氢燃料经燃油驱动泵加压处理变为超临界压力态，进入燃烧室壁面内微小通道（也称为再生冷却通道），通过对流传热过程吸收壁面热量，高温碳氢燃料泵入燃烧室燃烧，产生推进力。

为了保障喷射、掺混和避免沸腾传热恶化的问题，冷却通道内燃料的驱动压力很高，一般在3.5-7.0 MPa之间，超过了碳氢燃料的临界压力（2.0-3.0 MPa），因此主动再生冷却技术实际上采用的是超临界（压力）碳氢燃料的对流传热过程吸收燃烧室壁面热量，从而实现超燃冲压发动机燃烧室安全运行的目的。

图2超燃冲压发动机主动再生冷却技术示意图

如图3所示，超临界正癸烷的热物性随着温度的升高发生剧烈变化，特别是在拟临界温度（T_pc= 648.2 K，p_pc= 3.0 MPa）附近；随着吸热量的增加，碳氢燃料温度升高至750 K或770 K左右会发生裂解反应，生成小分子产物，热物性再次发生改变。以上两点导致超临界碳氢燃料在非裂解/裂解工况下对流换热过程同亚临界工况下的情形迥异，一般与Dittus-Boelter公式预测方式对比，发现超临界流体传热方式可分为三种情况，即正常传热、传热强化和传热恶化。

图3单壁面受热矩形通道内超临界（压力）碳氢燃料传热恶化现象

为此，作者提出再生冷却通道内非裂解/裂解工况下超临界碳氢燃料流动与传热特性研究这一内容，旨在深入探究超临界碳氢燃料在非裂解/裂解工况下的流动传热规律，揭示不同飞行姿势下冷却通道内发生传热恶化机理，分析强化换热结构中复杂流动换热现象发生的物理机制，为空天飞行器再生冷却通道的可靠设计提供理论支撑，同时为其它超临界流体的流动传热研究提供有益借鉴。

主要研究内容

1.圆形/矩形通道内超临界碳氢燃料传热恶化机理研究

探究了水平流动和竖直向上流动圆形通道内超临界碳氢燃料传热恶化特性及其机理，如图4所示，研究发现：水平圆形通道内上下壁面温度呈现非对称性分布；竖直向上流动圆形通道内超临界碳氢燃料在近壁面处速度增大，削弱了壁面剪切应力和湍流强度并使得热边界层增厚。分析了不同方位矩形通道内重力加速度对超临界碳氢燃料传热的影响规律，如图4所示，研究发现：竖直向上/向下流动矩形通道内出现类附着点，主流低温流体无法参与到高温壁面冷却过程中；水平流动矩形通道内形成了带有流动死区的对涡二次流。上述研究成果以第一作者身份发表在“jASME Journal of Energy Resources Technology, 2020, 143, 022105;kInternational Journal of Thermal Sciences, 2021, 168, 107066;lInternational Journal of Energy Research, 2019, 43, 4652-4669;mAIAA Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2021, 10.2514/1.T6408”。并获得2022年陕西高等学校科学技术奖二等奖（排名第三）。

图4非裂解条件下超临界碳氢燃料在圆形和矩形通道内发生传热恶化物理机制

2.热裂解反应对超临界碳氢燃料流动传热特性的影响

总结了超临界碳氢燃料的替代模型和化学反应动力学机理，采用已公开的PPD (Proportional Product Distribution)一步总体化学反应动力学模型和二十六步化学反应动力学模型，借助广义对应态方法计算混合物物性，探究了水平流动和竖直向上流动矩形通道内热裂解反应对流动传热性能的影响，如图5所示。研究发现：裂解反应使得近壁面处密度减小、速度增大，沿程方向未出现持续的热加速效应，而是发生了速度振荡，诱导近壁面旋涡，使传热得到强化，受热壁面的温度降低。上述研究成果以第一作者身份发表在“jInternational Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow, 2021, 10.1108/HFF-08-2021-0579(综述文章);kChemical Engineering Science, 2021, 244, 116806”。

图5热裂解对超临界碳氢燃料流动传热特性的影响

3.流-热-固耦合作用下超临界碳氢燃料流动传热规律及壁面变形机制

建立了流-热-固耦合作用下超临界碳氢燃料非稳态流动传热数值模型，探究了壁面变形对流动传热的影响规律，分析了流体域内压力和温度分布对壁面变形的影响机制，如图6所示，较大的热流密度有助于水平矩形通道内超临界碳氢燃料温度、速度和压力分布达到稳定状态；近加热面的内壁面温度最高，但近上壁面流体温度最高，这是由于主流区低温流体参与了高温壁面的换热过程，吸热后的流体在浮升力作用下流向上壁面，在上壁面附近形成流动死区；热流密度为2.0-3.0 MW/m²时，固体域受到的等效应力大于0.3×10⁹Pa，最大变形量为0.091-0.132 mm，这主要是由不均匀的温度分布和振荡的压力分布造成的，因此固体域变形及其带来的安全性问题应该引起足够重视。上述研究成果以第一作者身份发表在“ASME Journal of Energy Resources Technology, 2022, accepted, in press”。

图6流-热-固耦合作用下超临界碳氢燃料非稳态流动传热特性和壁面变形机制

4.超临界碳氢燃料新型传热关联式的建立

采用量纲分析法提出了预测超临界碳氢燃料换热特性的新型主控无量纲因子Qi=q_w·d/(u²·μ)，它是热量和动量之间的比值，表示每单位驱动力所需的热量。采用无量纲因子Qi和热物性修正因子来改进Dittus-Boelter传热关联式，得到了可分别预测超临界碳氢燃料竖直向上和竖直向下流动传热的预测关联式，如公式(1)和公式(2)所示，预测精度可达80%以上。上述研究成果以第一作者身份发表在“Journal of Thermal Science, 2019, 29, 131-143”。

5.强化换热通道内超临界碳氢燃料流动传热特性

在充分认识传热恶化机理的基础上，将截断肋通道、双层通道和套管通道作为超临界碳氢燃料流动传热的载体以克服温度分层现象，系统研究了超临界碳氢燃料传热性能和流阻特征并揭示了强化传热机理，如图7所示。研究发现：截断肋通道内涡对的形成消耗了压力能，导致压降增大，同时近壁面处湍动能增大，换热能力增强；截断肋高度大于粘性底层厚度时，传热强化效果显著，最佳肋间距/肋高比值为12.5-25；当超临界碳氢燃料在双层通道内顺向流动时，交叉流和浮升力诱导的涡结构被抑制，换热性能增强；当超临界碳氢燃料在套管通道内顺向流动时，重力诱导的漩流有助于传热性能的提升。上述研究成果以第一作者身份发表在“jApplied Thermal Engineering, 2018, 142, 695-708;kApplied Thermal Engineering, 2020, 180, 115695;lInternational Journal of Heat and Mass Transfer, 2021, 167, 120836”。

图7微小通道内超临界碳氢燃料强化传热研究

6.矩形通道内空气射流冲击传热特性研究

为了进一步发掘超临界碳氢燃料的冷却潜力，提出了射流-再生微肋通道复合冷却技术，并借助空气射流冲击传热来验证此技术的可行性，研究结果如图8所示，发现：射流参与的传热过程中平均努塞尔数和最大努塞尔数分别被提升0.43-16.55倍和5.73-34.42倍，综合传热性能参数Nu/Nu₀/(f/f₀)^1/3被提高1.52-3.33倍，同时采用数值方法揭示了其强化传热机理，横流流量较小时，射流不易发生偏转，受热面处温度边界层厚度变薄。上述研究成果以合作作者身份（第二作者）发表在“International Journal of Heat and Mass Transfer, 2022, 183, 122206”。

图8空气射流冲击传热的实验和数值研究

主要创新点

基于圆形/矩形通道、水平/竖直流向、非裂解/裂解工况、稳态/非稳态、常规强化/新型强化方法开展了超临界碳氢燃料流动传热特性及其机理研究，存在的创新点如下：

（1）建立了非裂解/裂解条件下超临界碳氢燃料的流动传热数值模型，探究了热裂解化学反应动力学行为对超临界流动传热的影响规律；

（2）发展了流-热-固双向耦合非稳态流动传热数值模型，揭示了固体壁面变形机制及对超临界碳氢燃料流动传热的影响规律；

（3）提出了主控无量纲因子，建立了预测不同流向条件下超临界碳氢燃料传热恶化机理的高精度传热预测关联式；

（4）揭示了截断肋、双层和套管强化冷却通道抑制超临界碳氢燃料传热恶化的机理，提出了射流-再生微肋通道复合冷却技术，实验验证了其可行性。