International Communications in Heat and Mass Transfer

論文信息：Xing Sun（孫星）, Zonglin Li（李宗霖）, Liang Zhang（張亮）, Ao Tian （田奧）, Wai Siong Chai（蔡偉翔）, Tingting Jing*（景婷婷）, Fei Qin（秦飛）. Heat transfer augmentation, endothermic pyrolysis and surface coking of hydrocarbon fuel in manifold microchannels at a supercritical pressure.

International Communications in Heat and Mass Transfer 161 (2025) 108564

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.108564

研究背景

吸氣式超高速推進(jìn)系統(tǒng),，如超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī),、火箭基組合循環(huán)（RBCC）和渦輪基組合循環(huán)（TBCC）發(fā)動(dòng)機(jī),，能夠在大空域、寬速域下實(shí)現(xiàn)高比沖和高推重比,，是空天往返運(yùn)輸系統(tǒng)的理想動(dòng)力形式,。然而，隨著飛行馬赫數(shù)的增加,，燃燒室面臨的熱載荷非常高,，高效的熱防護(hù)技術(shù)至關(guān)重要。當(dāng)前,，主動(dòng)再生冷卻技術(shù)被廣泛應(yīng)用至吸氣式超高速發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室,。然而，在熱物性劇烈變化的碳?xì)淙剂峡缗R界點(diǎn)換熱過(guò)程中,，目前常用的等直并聯(lián)冷卻通道內(nèi)會(huì)發(fā)生顯著的傳熱惡化,、傳熱不穩(wěn)定、流量分配不均勻以及裂解結(jié)焦等問(wèn)題,，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間可靠工作,。

研究?jī)?nèi)容

為了改善流量分配、提高燃料熱沉利用率,，本文探討了一種歧管式（MMC）冷卻結(jié)構(gòu)在火箭沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室熱防護(hù)中應(yīng)用的可行性,。已有的研究表明，與傳統(tǒng)等直并聯(lián)冷卻通道相比,，MMC結(jié)構(gòu)在單相流動(dòng)以及兩相流動(dòng)換熱條件下均具有更高的換熱效率,，同時(shí)能夠大大改善流量分配的均勻性,，因此被廣泛應(yīng)用至電子芯片冷卻。與芯片冷卻相比,，高馬赫數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室面臨的熱環(huán)境同樣嚴(yán)苛,，此外還有一定的時(shí)空非均勻特征，MMC冷卻結(jié)構(gòu)有望緩解上述問(wèn)題,。

本文構(gòu)建了涉及燃料超臨界物性計(jì)算,、湍流模擬、化學(xué)吸熱裂解及結(jié)焦過(guò)程的數(shù)值仿真模型,，通過(guò)三維數(shù)值模擬研究了超臨界壓力碳?xì)淙剂显贛MC冷卻結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)和傳熱特性,，基于詳細(xì)的參數(shù)化分析評(píng)估了MMC結(jié)構(gòu)的傳熱強(qiáng)化效果，并獲得了碳?xì)淙剂蠠崃呀饧敖Y(jié)焦分布特性,。

圖 1a 是 RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻技術(shù)采用的典型冷卻結(jié)構(gòu)示意圖。為了研究MMC結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)換熱過(guò)程的影響,，選擇了具有1,、3和9個(gè)MMC單元的三種類型MMC結(jié)構(gòu)，如圖1b所示,。

圖1 ( a )典型RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室再生冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),；( b )不同單元數(shù)的MMC結(jié)構(gòu)。

圖2顯示了沿加熱段的燃料平均溫度和平均壁溫分布,。在相同條件下,， MMC 結(jié)構(gòu)可顯著增強(qiáng)再生冷卻通道的傳熱效果并降低壁溫，增強(qiáng)效果隨 MMC 單元數(shù)量的增加而提升,。這種強(qiáng)化傳熱現(xiàn)象主要是由于 MMC 結(jié)構(gòu)內(nèi)流動(dòng)重組和沖擊冷卻效應(yīng)引起的,。分流器和微通道的存在有利于流體從主通道流向分流器的另一側(cè)，從而產(chǎn)生沖擊冷卻效應(yīng),，顯著增強(qiáng)了壁面?zhèn)鳠帷?/span>

圖2 流體溫度和加熱面壁溫的分布,，(a)流體平均溫度與壁面平均溫度，(b)加熱面云圖,。

圖3顯示了截面處的流線分布和二次流速度分布,。隨著MMC單元數(shù)量的增加，二次流明顯增強(qiáng),，且分布更加均勻,。除此之外，湍動(dòng)能也隨著MMC單元的數(shù)量顯著增加,，最高水平出現(xiàn)在MMC單元入口附近,，大大強(qiáng)化了當(dāng)?shù)氐膿Q熱。MMC-9結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)比MMC-1結(jié)構(gòu)或等直并聯(lián)通道高近50%,。

圖3 (a) 通道橫截面上的流線（y = 4.5mm）,，(b) 主流向橫截面上的流線（x = 25mm、50mm和75 mm）。

流量分配的均勻度通過(guò)每根翅片通道內(nèi)的燃料流量來(lái)體現(xiàn),。如圖4所示,，隨著MMC單元數(shù)的增大，翅片通道內(nèi)的流量趨于均勻,。該結(jié)果與表征流量分配均勻度的無(wú)量綱參數(shù)的計(jì)算結(jié)果一致,。結(jié)果表明，MMC-1,、MMC-3和MMC-9 的無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算結(jié)果分別為0.87,、0.43 和0.35，值越低表明均勻度越高,。

圖4每根翅片通道內(nèi)的燃料流量,。

如表1所示，在更寬的入口雷諾數(shù)和熱流邊界條件下測(cè)試了MMC結(jié)構(gòu)的傳熱性能,。結(jié)果表明,，MMC結(jié)構(gòu)在入口雷諾數(shù)2394~7182、熱流0.5~2.0MW/m2條件下均能保持較好的傳熱強(qiáng)化特性,，均勻熱流和非均勻熱流邊界條件對(duì)換熱性能的影響較小,。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?表1 ?本文計(jì)算工況表

與低入口溫度423 K的情況相比，入口溫度提高至裂解啟動(dòng)溫度750K之后,，MMC-9 和等直并聯(lián)通道壁溫之間的溫差從大約 150 K 減小到 100 K,。這種現(xiàn)象可以用超臨界壓力下碳?xì)淙剂系钠绽侍財(cái)?shù)變化來(lái)解釋，如圖5所示,。423 K 時(shí)的普朗特?cái)?shù)高達(dá)8,，這表明動(dòng)量輸運(yùn)效應(yīng)大大超過(guò)了熱擴(kuò)散效應(yīng)，主導(dǎo)著熱傳導(dǎo)過(guò)程,。在這種情況下,，MMC 引起的湍流增強(qiáng)在將熱量從加熱的壁面?zhèn)鬟f到低溫燃料方面發(fā)揮了重要作用，導(dǎo)致 MMC-9 冷卻結(jié)構(gòu)的壁面溫度比等直并聯(lián)通道大幅降低,。然而,，隨著燃料溫度的升高，普朗特?cái)?shù)會(huì)顯著下降到大約1,，這主要是由于動(dòng)態(tài)粘度的降低引起的,。此時(shí)，動(dòng)量輸運(yùn)效應(yīng)相對(duì)于熱擴(kuò)散效應(yīng)會(huì)減弱,。因此,，MMC 結(jié)構(gòu)造成的湍流增強(qiáng)對(duì)傳熱過(guò)程的影響變得不那么明顯，從而導(dǎo)致壁面溫差減小,。

圖5 燃料熱物理性質(zhì)隨溫度的變化

進(jìn)一步基于MS-II模型分析了MMC通道內(nèi)的燃料裂解結(jié)焦過(guò)程,。如圖6所示,，MMC-9通道的表面焦炭沉積量明顯低于等直并聯(lián)通道。這表明壁溫是影響表面結(jié)焦過(guò)程的主要因素,。在等直并聯(lián)通道中觀察到一個(gè)明顯的表面焦炭沉積峰值（用綠色虛線標(biāo)出）,，它與壁溫變化相對(duì)應(yīng)。這個(gè)壁溫降低是由出口集液腔回流造成的,。

圖6 MMC-9通道和等直并聯(lián)通道中表面焦炭沿加熱段的分布

?截面的結(jié)焦量分布由于MMC結(jié)構(gòu)特性而變得較為復(fù)雜,。如圖7所示，總的來(lái)說(shuō),，結(jié)焦量在入流歧管（No.1和No.3）附近較低,，而在出流歧管（No.2和No.4）附近較高。這種非均勻性與進(jìn)出口歧管的溫度和速度條件有關(guān),。盡管如此,，與傳統(tǒng)等直通道相比，MMC結(jié)構(gòu)還是可以顯著增強(qiáng)整體換熱,，提高流量分配的均勻性,。

圖7MMC-9通道展向結(jié)焦量分布及其流動(dòng)換熱特性

總結(jié)與展望

本文開(kāi)展了超臨界壓力碳?xì)淙剂显谄绻苁街鲃?dòng)再生冷卻通道（MMC）內(nèi)湍流傳熱現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究，主要得到以下結(jié)論：

（1）與等直并聯(lián)通道相比,，歧管式冷卻通道通過(guò)分流器的流動(dòng)重整，在加熱面形成燃料沖擊射流效應(yīng),，顯著提高了換熱系數(shù),，降低了壁面溫度。由二次流驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)化換熱效果隨著MMC單元數(shù)的增加而增強(qiáng),。在本文計(jì)算工況下,，MMC-9結(jié)構(gòu)的壁面平均溫度最高能降低150K，平均換熱系數(shù)能提高50%左右,。對(duì)于均勻或者非均勻熱流邊界條件,，MMC結(jié)構(gòu)可以在入口雷諾數(shù)范圍為2394至7182，熱流范圍為0.5 MW/m2至2.0 MW/m2的條件下保持其傳熱強(qiáng)化有效性,。

（2）在裂解溫區(qū),，MMC結(jié)構(gòu)的傳熱增強(qiáng)效應(yīng)減弱。這歸因于碳?xì)淙剂显诔R界壓力下普朗特?cái)?shù)的降低,，從而改變了動(dòng)量傳輸和熱擴(kuò)散之間的平衡,。在低溫區(qū)，動(dòng)量傳輸主導(dǎo)傳熱過(guò)程,，MMC誘導(dǎo)的湍流起著重要作用,。相反，在裂解區(qū),，熱擴(kuò)散主導(dǎo)傳熱過(guò)程,，由MMC結(jié)構(gòu)引起的湍流增強(qiáng)的影響變得不太明顯,，導(dǎo)致壁面溫差較小。

（3）由歧管結(jié)構(gòu)引起的流動(dòng)重組和沖擊冷卻效應(yīng)將高溫流體從加熱壁重新分配到管中心,。這使得MMC結(jié)構(gòu)內(nèi)擁有更均勻的裂解率和更低的燃料溫度,。盡管MMC通道中結(jié)焦前體（例如丙烯）的分解速率較高且濃度較高，但由于壁溫顯著較低,，總表面結(jié)焦量減少,。

（4）在發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需同時(shí)考慮冷卻通道的換熱效率及壓降特征,。本文考慮的MMC-9冷卻結(jié)構(gòu)壓降約為550kPa/m,，可用于燃燒室極端熱流位置（例如凹腔前后緣、高溫回流區(qū)以及火箭羽流附近）的局部強(qiáng)化換熱,。

團(tuán)隊(duì)介紹

西北工業(yè)大學(xué)空天組合動(dòng)力研究團(tuán)隊(duì),，依托固體推進(jìn)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，獲批科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),，現(xiàn)有教授5人,、副教授/副研究員10人、博士后2人,，其中國(guó)家級(jí)人才3人,、省部級(jí)人才7人。團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),、爆震發(fā)動(dòng)機(jī),、GTRC等新型吸氣式高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)、氣動(dòng)燃燒,、結(jié)構(gòu)熱防護(hù),、智能調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)研究，完成多次吸氣式高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn),，牽頭研制的“飛天一號(hào)”新型組合動(dòng)力,，國(guó)際首次成功完成寬域飛行驗(yàn)證。

何國(guó)強(qiáng)（團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人）,，西北工業(yè)大學(xué)教授,、博士生導(dǎo)師，主要從事空天動(dòng)力技術(shù)研究,。擔(dān)任固體推進(jìn)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,、空天動(dòng)力陜西省實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任、陜西空天動(dòng)力研究院董事長(zhǎng)等,。陜西省先進(jìn)工作者,，獲國(guó)家科技發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng),，省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)11項(xiàng),，其中一等獎(jiǎng)2項(xiàng),、二等獎(jiǎng)6項(xiàng)。發(fā)表論文180余篇,，其中被SCI,、EI索引120余篇，出版《火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)》《固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)絕熱材料燒蝕機(jī)理與模型》等專著3部,。

秦飛,，西北工業(yè)大學(xué)教授、國(guó)家級(jí)創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,、空天組合動(dòng)力國(guó)家級(jí)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人等,，長(zhǎng)期從事吸氣式組合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)、高效燃燒機(jī)理與寬域多模態(tài)燃燒組織等研究,。以第一或通訊作者在領(lǐng)域高水平期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文百余篇,，授權(quán)發(fā)明專利38件，獲陜西省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng),、省部級(jí)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng),、省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、興洲獎(jiǎng),、陜西省中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等,。

景婷婷（通訊作者），西北工業(yè)大學(xué)副研究員,，主要從事超高速組合發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)與熱結(jié)構(gòu)技術(shù)研究,。以第一或通訊作者在領(lǐng)域高水平期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，授權(quán)發(fā)明專利7件,；主持領(lǐng)域基金,、國(guó)家自然科學(xué)基金等多項(xiàng)國(guó)家級(jí)縱向項(xiàng)目,，獲陜西省技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng),、中國(guó)科協(xié)青年托舉人才、西北工業(yè)大學(xué)“翱翔新星”等獎(jiǎng)項(xiàng),，擔(dān)任《推進(jìn)技術(shù)》《航空兵器》等青年編委,。

孫星（第一作者），西北工業(yè)大學(xué)副研究員,，“博新計(jì)劃”入選者,。主要從事吸氣式組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)主被動(dòng)熱防護(hù)技術(shù)研究。在航空航天以及能源,、材料交叉領(lǐng)域發(fā)表 SCI論文十余篇,，授權(quán)發(fā)明專利5件；主持包括國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目,、領(lǐng)域基金在內(nèi)的國(guó)家級(jí)縱向項(xiàng)目多項(xiàng),。目前擔(dān)任《推進(jìn)技術(shù)》,、《戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)》青年編委。

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