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(1.中國航空規(guī)劃建設發(fā)展有限公司，北京 100120;2.哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

超聲速燃燒室再生冷卻結構對傳熱的影響分析

張明哲1，艾青2，劉華2

(1.中國航空規(guī)劃建設發(fā)展有限公司，北京 100120;2.哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

采用有限容積法結合對流換熱關聯(lián)式與蒙特卡羅法，建立了超聲速燃燒室再生冷卻通道的耦合換熱計算模型。冷卻燃料為煤油，其密度、導熱系數、動力粘度隨溫度和壓力變化，煤油比熱容與金屬結構的熱物性隨溫度變化。在考慮再生冷卻面板尺寸與冷卻燃料量保持不變的耦合性限制條件下，計算分析了非均勻熱流密度下，冷卻通道內壁厚度、高度、寬度及側肋厚度對冷卻性能的影響。研究結果表明，通道結構參數的變化引起結構傳熱熱阻和冷卻劑對流換熱性能以及總換熱面積、通道個數的變化，在傳熱分析中應綜合考慮。

超聲速燃燒室；非均勻熱流；再生冷卻；結構參數；耦合換熱

再生冷卻以其突出的優(yōu)點成為超燃沖壓發(fā)動機燃燒室熱防護的重要手段[1]。近年來許多研究者從不同方面對再生冷卻技術開展了研究。蔣勁等人建立了一種再生冷卻的二維熱分析模型，并與電弧風洞試驗數據進行了比較[2]；Youn均勻熱流邊界條件下，不同結構材料及冷卻劑流量對再生冷卻的影響[3]。牛祿等人對表面粗糙度對換熱的強化作用進行了分析[4-5]；吳峰等人分析了火箭發(fā)動機推力室再生冷卻的影響[6]；李軍偉等人以水為冷卻工質對推力室再生冷卻的傳熱進行了分析[7]。這些研究通常是針對單個通道的性能分析，對再生冷卻系統(tǒng)冷卻面板尺寸及冷卻工質流量給定條件下的結構參數變化引起的耦合性熱影響缺乏研究。

本文在考慮再生冷卻面板尺寸與冷卻燃料量保持不變的耦合性限制條件下，通過建立模型進行計算，綜合分析了非均勻熱流密度下，冷卻通道內壁厚度、高度、寬度及側肋厚度等結構參數對再生冷卻面板冷卻性能的影響。

1 物理模型與控制方程

1.1 簡化假定

槽道式再生冷卻面板流通截面如圖1所示，在矩形通道中高速流動的冷卻劑對壁面進行冷卻，將來自燃燒室高溫燃氣的熱流通過壁面?zhèn)鹘o冷卻劑。由于超音速燃燒室冷卻的復雜性，為分析結構參數的影響，假設：(1)冷卻劑無相變潛熱的釋放吸收，為單相流動；(2)忽略通道拐角處的連通長度，冷卻劑在拐角兩側溫度一樣，但考慮速度和壓力變化;(3)側肋對稱面為絕熱面；(4)冷卻通道材料和冷卻劑均為漫灰體；(5)忽略冷卻通道向環(huán)境的散熱。因此，交叉布置的冷卻面板可以近似看作多個冷卻通道的串聯(lián)。

圖1 再生冷卻面板示意圖

1.2 冷卻通道換熱模型

冷卻通道單元的換熱模型如圖2所示，單元長度為H，寬為(xi+1-xi)，冷卻劑通過輻射-對流換熱冷卻通道壁面，壁面熱流滿足關系

(1)

圖2 冷卻通道單元換熱模型

依據冷卻劑流動方向上的能量守恒，通過該單元i時冷卻劑吸收的熱流量為

(2)

式中Gm——冷卻劑的質量流量；

Cp,i——冷卻通道i內的冷卻劑的平均定壓比熱；

單位時間燃氣傳給冷卻通道單元i對應的燃燒室壁面的輻射-對流熱流量為

(3)

依據假設條件，由能量守恒可知，穩(wěn)態(tài)時燃氣傳入的熱量經過內壁，全部被冷卻劑吸收，則冷卻單元i傳熱方程滿足關系式

(4)

因此，冷卻劑的溫度可表示為

(5)

1.3 控制方程和邊界條件

冷卻通道單元截面幾何結構如圖3所示，通道結構的二維穩(wěn)態(tài)導熱微分方程為

(6)

圖3 冷卻通道截面示意圖

再生冷卻中燃燒室壁面有時用隔熱涂層。由于涂層的導熱系數很小，相當于增加了額外的熱阻。討論中采用與燃燒室內壁等同的假設，隔熱涂層的導熱系數隨溫度變化很小，假定在所關心的溫度范圍內保持不變，通過涂層的穩(wěn)態(tài)熱傳導也可由傅立葉定律求得。

冷卻通道壁面對流換熱系數采用Petukhov實驗關聯(lián)式計算[8]:

(7)

式中 de——當量直徑；

ReD——雷諾數;

Pr——普朗特數;

x——距入口的距離；

ξ——通道內湍流流動的達爾西阻力系數。

按弗羅年柯(Filonenko)公式計算；Nu∞為平均努塞爾數，依據流動狀態(tài)可分別采用下式計算:

Nu,

2300≤ReD≤104,0.5≤Pr≤200

(8a)

Nu,

104≤ReD≤5×106,0.5≤Pr≤5×105

(8b)

冷卻通道壁面與冷卻劑間的輻射傳熱采用蒙特卡羅法計算[9]，壁面處的輻射熱流為

(9)

式中 Ms、Mv——參加輻射換熱的面元、體元數;

S——面元參與輻射的面積;

ε——發(fā)射率;

V——體元的體積;

κ——冷卻劑吸收系數;

RDi,j——單元i對單元j的輻射傳遞因子。

冷卻劑選用航空煤油，其密度采用Peng-Robinson狀態(tài)方程，定壓比熱、導熱系數和動力粘度參看文獻[10]。航空煤油的光譜吸收指數取自文獻[11]，采用平均吸收系數計算其介質輻射。冷卻通道內的壓力損失由沿程損失和局部損失兩部分組成，文獻[12]分別給出了兩種損失的計算公式。

2 數值計算

計算中保持再生冷卻面板尺寸與冷卻燃料量恒定，依據假設條件將整個冷卻面板視為多個冷卻通道的串聯(lián)，因此計算包括冷卻劑與通道結構兩部分。

冷卻劑傳熱性能模擬從冷卻面板入口側開始逐個進行迭代計算。依據通道結構的幾何參數，確定計算通道的幾何位置，據此計算燃氣側加熱熱流，通過該通道內冷卻劑的能量守恒和沿程壓降的聯(lián)立方程，依據入口等邊界條件，迭代求解出冷卻劑在此通道出口處的溫度、壓強和速度，為通道結構傳熱計算提供熱邊界條件。通道結構采用內節(jié)點法對固相區(qū)域進行離散，在溫度變化劇烈的基板處加密網格，計算通道內壁面和冷卻劑間輻射換熱的網格與固相區(qū)域的網格相匹配；采用控制容積積分法建立離散方程；邊界條件的處理采用附加源項法。內邊界EFGH各單元的輻射換熱熱流、對流換熱系數均是局部壁面溫度的函數，而內壁溫是未知量，需迭代，故內邊界處的對流、輻射均需迭代。

3 計算結果及討論

某超燃沖壓發(fā)動機燃燒室再生冷卻面板長L=1.8 m，寬H=0.115 m，通道結構初始參數如表1所示。冷卻通道采用交叉布置方式，面板材料為鎳基合金Inconel617，表面發(fā)射率為0.85，冷卻劑為航空煤油，流動方向與燃氣流方向相反，質量流量Qm=0.2 kg/s，入口壓強p=3.0 MPa。燃氣側熱流密度通過Fluent軟件模擬，參見文獻[13]，如圖4所示。

表1 通道結構初始參數

圖5、圖6是燃燒室與冷卻通道間不同壁厚e對結構溫度場的影響。在其他參數恒定的情況下，對壁厚分別為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm進行分析?？煽闯觯S著壁厚度減小，燃氣側壁面溫度降低，壁兩側的溫差隨之減少。當壁厚從1.2 mm降到0.8 mm時，燃氣側壁溫度降幅達10.7%，內壁溫差降幅達40.8%。這是由于內壁厚度的變化造成結構傳熱熱阻的變化所致，因此內壁厚度對再生冷卻面板傳熱性能有重要影響。

圖4 再生冷卻通道燃氣側熱流密度

圖5 內壁厚度與氣壁溫度關系

圖6 內壁厚度與內壁溫差關系

圖7是不同通道高度對結構溫度場的影響。可看出，在其他參數恒定的情況下，只增加冷卻通道的高度，燃氣側壁面溫度也隨之增加。這是因為冷卻通道高度的增加會引起側壁肋效應的增強和冷卻劑流動面積增大兩種效果，而冷卻劑流動面積增大會造成流速的減小，從而導致冷卻劑的對流換熱能力下降。對冷卻通道而言，后者的作用強于前者，所以最終表現為冷卻效果降低。

圖8是不同通道寬度對結構溫度場的影響。可看出，在其他參數恒定的情況下，隨冷卻通道的寬度增加，燃氣側壁面溫度也增加。這是因為通道寬度變化時，會造成冷卻劑流通面積和單個通道寬度的變化，使冷卻劑換熱性能和冷卻面板通道個數均隨之變化，這兩種作用將隨通道寬度增加減弱冷卻面板的冷卻效果。

圖7 冷卻通道高度的影響

圖8 冷卻通道寬度的影響

圖9為不同側肋厚度對通道結構溫度場的影響。再生冷卻通道的側壁相當于肋片，當肋片的換熱環(huán)境相同時，增大肋片厚度能夠顯著的強化換熱。但是對再生冷卻面板而言，冷卻通道側壁厚度的變化同樣會造成各通道位置、通道個數及冷卻劑流動狀態(tài)等參數變化，使其換熱環(huán)境發(fā)生變化，因此不能機械套用肋片理論對冷卻面板通道側壁的作用給予定性解釋。由圖9可看出，隨側壁厚度的增加，燃氣側壁面溫度不是肋片理論所預測的降低，而是升高。

這是因為在其他參數恒定的情況下，側壁厚度的增加會減少面板內冷卻通道的數目，從而間接導致冷卻劑的換熱面積降低，引起冷卻效果的下降，并且該作用強于側壁的肋片效應。

圖9 側壁厚度的影響

4 結論

本文在考慮再生冷卻面板尺寸與冷卻燃料量保持不變的耦合性限制條件下，計算分析了非均勻熱流密度下，冷卻通道內壁厚度、高度、寬度及側肋厚度對冷卻性能的影響。研究結果表明：

(1)燃燒室與冷卻通道間壁厚的變化造成結構傳熱熱阻的變化，對再生冷卻面板的傳熱性能有重要影響；

(2)只增加冷卻通道的高度時，壁肋效應增強的同時會減弱冷卻劑與壁面間的換熱作用，冷卻作用變化應視具體情況而定；

(3)只增加通道寬度，不僅減弱了冷卻劑與壁面間的換熱作用，同時減少了冷卻面板內的通道個數，導致燃燒室壁面溫度明顯升高，減弱冷卻效果；

(4)通道數固定情況下增加側壁厚度，會減少通道寬度，因此在增強側壁肋片效應的同時增強了冷卻劑的換熱能力，增強了冷卻面板的冷卻作用。而在其它參數恒定的情況下，單獨增加側壁厚度，在增強側壁肋片效應的同時減少面板內冷卻通道的數目，從而導致冷卻劑的換熱面積降低，引起冷卻效果的下降，因此不能機械套用肋片理論對交叉布置的冷卻面板側壁作用給予定性解釋。

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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修訂稿日期2013-02-27

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金項目(No.2012RFQXG079)

張明哲(1979～)，男，工程師。

V235.21

A

1002-6339 (2014) 04-0308-04