超临界压力下栅格填充通道中碳氢燃料跨多个温度区间的流动与传热特性

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Flow and heat transfer characteristics of hydrocarbon fuel in lattice-filled channels under supercritical pressures across multiple temperature regimes

　　

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  点阵结构提高了再生冷却通道的温度均匀性。
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  点阵结构在跨临界温度区间获得最佳传热效果。
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  TL 点阵表现出最强的局部传热增强效果。
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  KL-oriB 点阵表现出最均匀且持续的冷却性能。

引言

再生冷却是航空航天发动机中使用最广泛的冷却方法之一 [1], [2]，其中航空煤油作为冷却剂 [3]，吸收热量 [4] 以冷却热结构，然后再注入燃烧室 [5]。然而，由于高热量-质量比条件 [6] 和天然的单侧加热环境，矩形再生冷却通道通常处于非常严重的热分层状态。在冷却通道内部，核心流与热壁之间的温差超过 500 K，其中局部过热总是发生，尤其是伴随着局部传热恶化 [7]。在这种情况下，燃料的有效吸热能力被浪费 [8]。此外，固体结构中的温度不均匀性可能进一步引起热应力和结构失效 [9]。因此，缓解热分层是提高再生冷却性能的一个非常重要途径。

从上述角度来看，许多研究人员在冷却通道中使用微扰结构，如扭带 [10]、凹坑 [11]、巢状结构 [12]、微肋 [13] 等。近年来，随着增材制造技术的发展，三维点阵结构的设计灵活性不断提高，而其制造成本逐渐降低。到目前为止，点阵结构，即基于梁的周期性多孔材料 [14], [15]，被嵌入到传热设施中以改善传热性能 [16], [17]。Yun 等 [18] 通过实验和数值研究了 FCCZ 点阵通道中的水流动和传热，揭示了孔隙率和入口速度的影响。Shen 等 [19] 发现，在相似的压力降下，Kagome 点阵的努塞尔数比线编织 Kagome 结构高 26%–31%。Chen 等 [20] 表明，优化的 Kagome 点阵通过改善局部流动混合增强了射流冲击传热。Kaur 等 [21] 证明了 Octet 点阵在燃气轮机叶片冷却方面具有卓越的热 - 水力性能。Yan 等 [22] 报告称，X-点阵 - 蜂窝混合结构显著增强了传热和对流热去除能力。Woo 等 [23] 进一步确认了空冷四面体点阵冷板在轻量化电池热管理方面的潜力。

通常，目前的研究主要集中在简单的冷却剂上，如水 [18]、空气 [19], [20], [21], [22], [23] 等，且热流密度相对较低，低于 0.5 MW/m² [18]。工作压力通常是环境压力 [19], [20], [22], [23] 或不大于 1 MPa [21]。此外，点阵单胞的结构尺寸是毫米级的，大于 1–2 mm。然而，再生冷却系统中遇到的操作条件非常恶劣。烃类燃料通常用作再生冷却通道中的冷却剂，并在超临界条件下工作，通常超过 3 MPa。此外，通道通常是单侧加热的，热流密度高达 3–5 MW/m²。此外，冷却通道壁面的可用尺寸受到高度限制，仅为几毫米。

近年来，一些研究人员试图在再生冷却中放入点阵结构以增加对流传热并减少结构重量。通道。金字塔点阵结构 [24]、Kagome 点阵结构 [25]^～ [29]，被用于填充超临界 RP-3 [6]、煤油 [24] 和超临界 n-癸烷 [29] 的冷却通道。底壁温度显著降低，努塞尔数增加 [28]。一些研究甚至发现 Kagome 点阵三明治冷却结构可以降低结构重量 [26], [27] 并缓解塑性变形 [27]。

到目前为止，关于再生冷却技术中点阵结构的研究相当有限，特别集中在充满点阵通道中烃类燃料的传热行为。充满点阵通道中烃类燃料在不同温度区间下流动和传热特性变化背后的机制尚不清楚，尤其是在热物性发生显著变化的跨临界温度区间。此外，现有研究中使用的点阵结构的几何构型相对简单。因此，为解决上述问题，本研究采用五种点阵构型，BCC、FCC、TL、KL-oriA 和 KL-oriB 进入再生冷却通道，并建立三维数值模型，该模型考虑了超临界压力下烃类燃料在多个温度区间中的显著变化。详细阐述了 n-癸烷在亚临界、跨临界和超临界温度区间下充满点阵通道中的冷却性能、温度均匀性和整体热 - 水力性能。此外，比较和研究了点阵结构诱导的流动结构及其对传热的影响机制。

章节摘要

物理模型和边界条件

实际的再生冷却系统由多个平行通道组成。在本研究中，采用了一种简化的一侧加热的矩形通道。冷却通道的宽度和高度均为 2 mm，壁厚为 1 mm。x-轴、y-轴和 z-轴分别表示展向、高度和流向。冷却通道的总长度为 550 mm。加热段长度为 250 mm，其中 20 个点阵单元均匀布置在底部内

参数定义

• (1)
  固体域的平均温度

$$T_{\mathrm{ave}}=\frac{\int T\mathrm{d}V}{V\text{solid}}$$

其中，V_solid 是冷却通道固体结构的体积。

• (2)
  固体域中平均温度的无量纲化降低

$${\beta }_{\mathrm{T}}=\frac{T_{\mathrm{ave}.\mathrm{smo}}?T_{\mathrm{ave}.\text{lattice}}}{T_{\mathrm{ave}.\mathrm{smo}}}$$

其中，T_ave,smo 是光滑通道中固体域的平均温度，T_ave,lattice 是充满点阵的通道中固体域的平均温度。

β_T 表示点阵结构对固体引起的温度降低程度

结论

在本研究中，通过数值分析了具有各种点阵结构的再生冷却通道中超临界压力下烃类燃料的流动结构和传热特性。比较了光滑通道和各种充满点阵的通道在亚临界、跨临界和超临界温度区间下的温度均匀性、冷却性能和传热特性。由体心

CRediT 作者贡献声明

李鑫：写作 – 审阅与编辑，方法论，资金获取，概念化。孟青怡：写作 – 初稿，验证，方法论，数据整理。黄荣瑞：方法论，数据整理。崔乃岗：监督，概念化。张思龙：监督，软件，资源。Oskar J. Haidn：监督，概念化。

竞争利益声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

这项研究工作得到了 国家自然科学基金 (52406078)、北京市自然科学基金 (L258017) 和 CALT 与学院联合创新基金 (CALT 2024-16) 的支持。

李鑫 | 孟青怡 | 黄荣瑞 | 崔乃岗 | 张思龙 | Oskar J. Haidn