应用于航空发动机热保护的scCO?闭式布雷顿循环的性能分析：考虑了scCO?-燃料换热器内部的流动和传热特性

《The Journal of Supercritical Fluids》：Performance Analysis of scCO 2 Closed Brayton Cycle Applied to Aero Engine Thermal Protection Considering Flow and Heat Transfer Characteristics Inside the scCO 2-Fuel Heat Exchanger

ScCO2闭式布雷顿循环冷却系统在航空发动机热防护中的应用研究，通过构建集成热交换器模型的计算模型，揭示了scCO2质量流量、燃料流量及热交换器流道面积对循环性能的影响规律，指出压力损失和层流状态是制约性能的关键因素，并确定临界燃料质量流量值。

　　本文探讨了应用于航空发动机热保护的超临界二氧化碳（scCO?）闭式布雷顿循环（CBC）冷却系统的循环性能。研究重点在于分析流体质量流量和传热特性对系统性能的影响，从而为实际工程应用提供理论依据。超临界二氧化碳因其优良的热传递性能和循环动力学特性，被认为是一种理想的CBC工作流体。随着高超音速飞行器的发展，其飞行速度通常超过5马赫，这种极端条件下，传统冷却方式面临诸多挑战。特别是，在长时间巡航过程中，发动机的热负荷显著增加，现有冷却系统难以满足需求。因此，开发一种能够同时实现热保护和能量转换的高效冷却系统显得尤为重要。

本文构建了一个结合热交换器模型和scCO?循环模型的计算模型，用于评估scCO? CBC系统在航空发动机中的热力学性能和冷却性能。模型通过考虑压缩机入口参数和热交换器设计参数，计算系统在设计点的性能表现。研究结果表明，热交换器内部的scCO?压降是影响系统循环性能的关键因素。此外，燃料流动过程中出现的层流区域可能导致热传递性能下降，进而影响整个系统的效率。研究还发现，存在一个临界燃料质量流量，当燃料质量流量低于该临界值时，其增加会提升系统的热力学性能；而当燃料质量流量超过该临界值后，性能提升趋于稳定。这表明在实际设计中，需在燃料质量流量和系统性能之间找到最佳平衡点。

热交换器的流动面积变化对系统热效率和功率重量比具有显著影响。增大热交换器的流动面积可以提高系统的热效率，但同时也增加了系统的体积和重量，降低了功率重量比，限制了其在航空应用中的可行性。因此，在设计热交换器时，需综合考虑热效率和系统整体性能，以确保在有限的空间和重量限制下实现最佳的热管理效果。此外，研究还对比了简单布雷顿循环和回热布雷顿循环的性能表现，发现回热布局虽然能够提升系统的热力学性能，但可能对冷却性能产生负面影响。这提示在设计过程中，需权衡回热装置带来的热效率提升与冷却性能的潜在损失。

本文的研究为高超音速飞行器的热管理提供了新的思路。传统上，高超音速飞行器的进气口温度极高，难以作为有效的冷源。因此，燃料成为唯一的冷却介质。然而，随着飞行速度的提高和巡航时间的延长，燃料的冷却能力面临挑战，可能导致发动机过热甚至热失效。此外，燃料在冷却通道中可能因高温而发生裂解和结焦，进一步威胁发动机的正常运行。这些问题促使研究者探索更高效的热管理方案，而scCO? CBC系统因其能够将热量转化为电能，并有效利用燃料作为冷源，成为一种备受关注的解决方案。

scCO? CBC系统最初由Angelino和Feher提出，随后在太阳能发电、海水净化和地面核能等领域得到广泛应用。其在地面应用中的成熟度为后续的航空应用奠定了基础。然而，与地面应用不同，航空应用中缺乏无限的冷源，这使得scCO? CBC系统的性能评估更加复杂。此外，航空热交换器通常具有较小的通道直径，以实现更高的紧凑性，这也对scCO?的流动和传热特性提出了更高要求。因此，深入研究scCO?在热交换器中的流动和传热行为，对于优化系统性能至关重要。

本文的研究成果表明，scCO?质量流量、燃料质量流量和热交换器流动面积对系统性能具有重要影响。在scCO?质量流量变化的情况下，研究发现，通过调整热交换器通道数量，可以在保持热交换器热流密度不变的前提下，评估不同质量流量对系统性能的影响。结果表明，scCO?质量流量的增加能够改善系统的热力学性能，但同时也可能带来更高的压降，进而影响整个系统的效率。因此，在设计过程中，需综合考虑质量流量与压降之间的关系，以实现最佳的系统性能。

此外，研究还发现，燃料质量流量的增加对系统性能具有双重影响。当燃料质量流量低于临界值时，其增加能够显著提升系统的热力学性能；但当超过临界值后，性能提升趋于平缓。这一发现对于优化燃料质量流量的选取具有重要意义，尤其是在高超音速飞行器的热管理设计中。同时，研究还指出，热交换器的流动面积对系统热效率有正向影响，但会降低系统的功率重量比，因此在实际应用中，需根据具体需求权衡流动面积的大小。

在对比简单布雷顿循环和回热布雷顿循环的性能时，研究发现回热布局虽然能够提升系统的热力学效率，但可能对冷却性能产生不利影响。这一结果表明，在设计scCO? CBC系统时，需谨慎考虑回热装置的引入，以确保系统的整体性能。此外，研究还提出了一种相对性能系数，用于评估系统的热力学性能和冷却效率。该系数为系统设计和优化提供了新的评价工具，有助于在不同设计参数之间找到最佳平衡点。

综上所述，本文通过构建一个结合热交换器模型和scCO?循环模型的计算模型，深入分析了scCO? CBC系统在航空发动机热保护中的性能表现。研究结果表明，scCO?质量流量、燃料质量流量和热交换器流动面积是影响系统性能的关键参数，需在设计过程中进行综合优化。同时，回热布局的引入虽然能够提升热力学性能，但可能对冷却性能产生负面影响。因此，在实际应用中，需根据具体需求选择合适的系统配置，以实现最佳的热管理效果。本文的研究成果为高超音速飞行器的热管理设计提供了重要的理论支持和实践指导，有助于推动相关技术的发展和应用。