用于航空发动机整体性能仿真的换热器特性提取与应用方法

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Heat exchanger characteristics extraction and application method for aeroengine overall performance simulation

　　郭和江|陈敏|唐海龙|秦阳佳|庄来和|张继远
北京航空航天大学能源与动力工程学院，中国北京102206

**摘要**
热交换器（HX）在采用进气冷却的高速涡轮发动机中发挥着关键作用，这种冷却方式用于高超音速推进。然而，现有的HX建模方法在计算效率与发动机整体性能模拟的预测准确性之间仍难以取得平衡。为了解决这一问题，本研究开发了一种基于相似性理论的特征提取和应用方法，能够将真实且可重复使用的HX特性高效地嵌入到零维航空发动机性能模型中。热传递和流动阻力特性被离线提取并组织成工程导向的特征图，在模拟过程中可以快速调用。作为一种面向应用的扩展，进一步提出了一种通用缩放策略，以支持提取特性的跨尺度重用。该方法通过氢气中间冷却混合涡轮风扇（HI-MTF）及其中间冷却热交换器（IHX）进行了验证。与基于分段LMTD的方法相比，所提出的基于特征的方法将HX性能评估的速度提高了约1400倍，并将发动机整体性能模拟时间减少了约170倍。同时，即使在特征缩放的情况下，也保持了高预测准确性，最大相对误差保持在1.5%以下。这些结果表明，所提出的方法能够利用真实的HX特性进行准确且高效的全包线发动机性能评估，从而为进气冷却的高速涡轮发动机的快速概念设计和协同迭代提供了一个实用且可重复使用的建模框架。

**引言**
近年来，进气冷却的高速涡轮发动机因具有很强的工程可行性和显著的性能潜力而受到国际社会的持续关注，并被广泛视为实现未来高超音速推进的关键途径[1]、[2]。在这些发动机中，热交换器位于压缩系统上游，冷却剂从高温进气流中吸收热量。通过降低进气温度，进气冷却可以抑制叶片温度的过度升高，并提高质量流量能力，从而在高速条件下实现更大的推力和更高的效率。因此，提出了多种配置和冷却策略，包括预冷和中间冷却方案[3]、[4]、[5]，以及不同冷却深度和循环布置的概念[6]、[7]、[8]。尽管实施方式有所不同，但整体可行性和性能限制在很大程度上取决于热交换器的热传递和压力损失性能，这突显了热交换器在进气冷却高速涡轮发动机中的关键作用[9]、[10]。
对于进气冷却的高速涡轮发动机而言，热交换器必须同时具备高热传递能力、高紧凑性和低压力损失[11]。因此，其性能在发动机整体性能中起着主导作用，使得在全包线范围内进行热交换器评估变得至关重要。此外，热交换器的集成从根本上改变了热力循环和组件匹配[2]。热交换器两侧的温度降不足可能导致组件过热甚至转子超速[12]，而压力损失过大则可能引发严重的匹配风险，包括压气机喘振[13]、[14]。因此，可靠的性能分析和配置评估需要准确表征热交换器的热传递和压力损失性能随运行条件的变化。

**以往研究**
以往的研究广泛使用了CFD模拟[15]、实验研究[16]以及经典组件级方法（如LMTD方法[17]、[18]和ε–NTU方法[14]来进行热交换器的设计和优化。然而，这些方法主要针对组件开发，难以直接集成到发动机整体性能模拟所需的求解过程中和快速评估中。因此，在许多整体性能研究中，热交换器被视为一个“黑箱”，仅通过固定的热传递效率和压力恢复系数来表示[19]、[20]。这种简化忽略了热交换器性能对运行条件的非线性依赖性，未能捕捉到热传递和压力损失性能在整个运行包线内的变化。即使引入了偏离设计值的校正模型，它们的适用性和预测准确性也仍然有限[21]、[22]。此外，这些简化的表示方法隐含地假设可用的热传递能力始终满足冷却要求。这种假设忽略了安装约束对流道的影响以及冷热侧运行条件对热交换器行为的影响，从而削弱了配置评估的物理一致性。

**改进措施**
为了提高整体性能模拟的真实性，一些研究尝试使用LMTD方法进行初步的热交换器尺寸设计和性能评估，并将这些计算结果嵌入到发动机整体性能模型中[23]、[24]。尽管这种方法提高了热交换器表示的物理真实性，但仍存在两个主要限制。首先，基于LMTD的热交换器建模和几何设计对整体性能分析师的专业知识要求较高，通常需要单独估算发动机流道中的可用安装空间[25]，这限制了工程的通用性。其次，基于LMTD的解决方案的计算成本显著高于其他零维组件模型，增加了整体性能模拟的运行时间[26]，阻碍了大规模参数研究和概念设计阶段的优化迭代。

**工程导向的热交换器建模框架**
从根本上说，目前仍缺乏一个面向工程的整体性能模拟热交换器建模框架，这样的框架应该能够捕捉热交换器的非线性热传递和压力损失特性，同时保持计算效率和实现的简便性。

**特征图的应用**
特征图已广泛应用于表示旋转发动机组件在整体性能模拟中的行为，最近的研究还将类似的提取技术扩展到了非旋转和新兴组件。例如，Xu等人[27]为后置可变面积旁通喷射器构建了性能特性，并在自适应循环发动机性能模型中实现了匹配解。参考文献[28]为集成到涡轮混合系统中的固体氧化物燃料电池开发了特征图，并成功将其嵌入到系统级模拟中。Purushothaman等人[29]通过构建专门的燃烧室性能特性，实现了旋转爆震燃烧室与整个发动机之间的匹配分析。总体而言，这些研究表明，基于特征的工程表示方法可以显著提高计算效率、模型耦合性和跨配置的适用性，同时减少对计算密集型模拟和昂贵实验数据集的依赖。对于整体性能模拟中的热交换器建模，关键在于表示整体热传递和压力损失行为如何随运行条件变化，而不是反复求解详细的局部热流过程。在固定几何形状和工作流体条件下，这些整体响应由有限的特征关系集决定，这使得基于特征的表示方法非常适合当前的热交换器建模问题。

**本研究的方法**
基于这一思路，本研究提出了一种专门针对航空发动机整体性能模拟的热交换器特性提取和表示方法，并建立了其在这些模型中应用的通用框架。基于相似性理论，使用可扩展的特征图将热交换器的热传递能力和冷热侧的压力损失以零维形式表示。这种表示方法能够在不依赖详细几何设计或计算成本高昂的迭代解的情况下，快速准确地评估整个发动机运行包线内的热交换器性能。此外，还开发了一种基于修正质量流量的特征缩放策略，以便在发动机流量能力变化时促进热交换器特性的缩放和重用，前提是拥有基线特征数据。该策略提高了工程的通用性，并降低了实际应用的门槛。通过与基于分段LMTD（Seg-LMTD-Based）方法的比较验证，表明所提出的方法显著提高了发动机整体性能计算的计算效率，同时保持了温度降和压力损失的准确预测。因此，它使得将真实的热交换器行为纳入全包线发动机设计、评估和匹配分析成为可能。

**本文结构**
本文的其余部分安排如下：第2节介绍了HI-MTF及其IHX的性能模拟模型。第3节提出了一种面向工程的热交换器特性提取和表示方法，并开发了在整个性能模拟中应用提取特性的通用工作流程。第4节从计算效率和预测准确性的角度对所提出方法进行了数值验证和性能验证。第5节将提取的IHX特性应用于全包线发动机性能评估，并分析了相关的组件匹配机制。最后，第6节总结了主要结论并指出了未来工作的方向。

**结论**
在各种进气冷却的高速涡轮发动机概念中，HI-MTF因其相对较低的系统复杂性而具有显著的工程优势。与预冷概念相比，它提供了更好的散热匹配，并且与压力损失相关的性能损失较小。参考文献[5]和[20]分别评估了HI-MTF的稳态和瞬态性能，并证明了其在高超音速推进中的可行性。

**致谢**
本研究由项目2024-CXPT-GF-JJ-88-0001资助，得到了国家航空发动机空气热力学重点实验室的支持。