航空發(fā)動機壁面液態(tài)金屬-碳氫燃料雙層冷卻通道換熱性能研究

摘 要：高馬赫數(shù)下超燃沖壓發(fā)動機壁面冷卻通道受高熱流密度影響易損毀從而導(dǎo)致發(fā)動機失效，研究壁面冷卻通道冷卻性能有利于改善受熱不均勻的現(xiàn)象。因此，本文提出液態(tài)金屬-碳氫燃料雙層冷卻通道，搭建了液態(tài)金屬流動換熱試驗系統(tǒng)，驗證了仿真試驗系統(tǒng)具有較好的精確度。仿真結(jié)果表明，裂解反應(yīng)提高了燃料的總熱沉，同時也加劇了通道內(nèi)的熱分層現(xiàn)象，這是雙通道燃料裂解反應(yīng)帶來的雙重效應(yīng)，且在高熱流密度工況下體現(xiàn)得更突出；與正癸烷單通道相比，雙通道正癸烷側(cè)可將溫度不均勻系數(shù)RT最大值從55%左右降到18%左右，熱沉不均勻系數(shù)RH最大值從1000%左右下降至不到100%；與液態(tài)金屬單通道相比，雙通道液態(tài)金屬側(cè)可將RH最大值從230%降低至80%左右，說明雙通道結(jié)構(gòu)有效改善了液態(tài)金屬在通道內(nèi)吸收熱量的均勻性。本文研究結(jié)果為液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)獲得合適的燃燒室壁面冷卻通道參數(shù)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：液態(tài)金屬； 碳氫燃料； 壁面冷卻通道； 裂解反應(yīng)； 熱分層

中圖分類號：V235.2 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.003

近年來，高超聲速飛行器作為新一代航空/航天器，受到世界各國的廣泛研究[1-4]。而超燃沖壓發(fā)動機被認為是在高馬赫數(shù)下最有前途的高超聲速飛行器推進系統(tǒng)之一[5-6]。高馬赫數(shù)下，超燃沖壓發(fā)動機的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)至關(guān)重要，甚至關(guān)系到超燃沖壓發(fā)動機的進一步發(fā)展[7-8]。研究表明，碳氫燃料超燃沖壓發(fā)動機油氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)因其顯著的能量密度和強大的技術(shù)可行性而受到青睞。該系統(tǒng)在設(shè)計上實現(xiàn)了燃油供給與發(fā)電組件和發(fā)動機的部件共享，使得整體結(jié)構(gòu)更緊湊，對飛行器質(zhì)量懲罰較小，從而具有實用價值[9-10]。然而，此系統(tǒng)依賴于再生冷卻技術(shù)[11]，其發(fā)電效能與發(fā)動機的熱負荷、燃料溫度及裂解產(chǎn)物的成分緊密相關(guān)，導(dǎo)致發(fā)電性能受到再生冷卻技術(shù)的制約。再生冷卻技術(shù)采用燃料作為冷卻劑直接冷卻發(fā)動機壁面[12]，但隨著飛行馬赫數(shù)進一步提高，壁面的熱載荷逐漸超出了燃料的吸熱極限[13]。與此同時，燃料在高溫下吸熱裂解產(chǎn)生的結(jié)焦問題極易堵塞壁面冷卻通道，從而使壁面冷卻失效，甚至使燃燒室壁完全損毀[14]。為解決如此高熱流下的壁面冷卻問題，同時充分回收燃燒室產(chǎn)生的高品位熱能，很多研究關(guān)注再生冷卻通道內(nèi)碳氫燃料的裂解換熱過程[15-16]。另外，也有學(xué)者提出第三流體冷卻技術(shù)，目前進行了相關(guān)研究的超燃沖壓發(fā)動機第三流體冷卻工質(zhì)有氦氣、苯、甲苯、超臨界二氧化碳、氦氙混合氣體、氨水和液態(tài)金屬等。王娟等[17]采用R22、乙烷及乙醇作為第三流體冷卻劑，對第三流體循環(huán)發(fā)動機的性能進行了評估，并將其與氫膨脹循環(huán)以及燃氣發(fā)生器膨脹循環(huán)的性能進行了對比研究。結(jié)果表明，采用第三流體冷卻循環(huán)技術(shù)可以提供更高的燃燒室壓力，特別是在選擇乙烷作為第三流體時，發(fā)動機的綜合性能表現(xiàn)更為優(yōu)越。鮑文等[18]則創(chuàng)新性地設(shè)計了一種利用氨水作為循環(huán)介質(zhì)的超高速飛行器冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要目標在于有效解決超燃沖壓發(fā)動機在冷卻過程中面臨的燃料消耗量大、熱交換能力不足等關(guān)鍵問題。此外，鮑文在另一項研究中[19]還提出了一種基于封閉式布雷頓循環(huán)的超燃沖壓發(fā)動機熱管理方案，該方案運用了氦氙混合氣體（He-Xe）作為工作介質(zhì)，以期實現(xiàn)更高效的性能效果。程昆林等[20-21]提出超燃沖壓發(fā)動機燃料間接冷卻系統(tǒng)，以液態(tài)金屬作為第三流體冷卻發(fā)動機壁面，可改善壁面冷卻效果，進一步提高飛行馬赫數(shù)。與其他第三流體工質(zhì)對比，液態(tài)金屬導(dǎo)熱系數(shù)大，熱響應(yīng)快，可以承受更高的熱流密度。與再生冷卻的碳氫燃料相比，液態(tài)金屬最顯著的優(yōu)點是冷卻通道無結(jié)焦，可以有效保護高溫燃燒室壁面。然而，目前得到液態(tài)金屬壁面冷卻效果僅僅是基于一維計算的結(jié)果，尚未開展液態(tài)金屬在三維壁冷通道內(nèi)的換熱研究，通過一維計算得到的結(jié)論是液態(tài)金屬在通道內(nèi)換熱是有限的，冷卻通道結(jié)構(gòu)對液態(tài)金屬換熱過程的影響研究不足，且燃燒室壁面受單面加熱的影響，冷卻通道內(nèi)流體受熱極不均勻，從非加熱面到被加熱面的垂直方向上存在較大的溫度梯度，形成的不均勻流場會影響能量回收過程。因此，有必要對冷卻通道內(nèi)換熱過程進行研究，本文提出液態(tài)金屬-碳氫燃料雙層冷卻通道，探究雙層冷卻通道的換熱性能，旨在獲得超燃沖壓發(fā)動機壁面冷卻通道的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，為改善通道內(nèi)的熱力分層提供理論基礎(chǔ)。