外涵空气-燃油双工质换热器燃油管结构流动换热特性研究

雷 熠，张靖周

(南京航空航天大学能源与动力学院，江苏 南京 210016)

0 引言

随着航空发动机推重比的提高，涡轮进口温度不断提升；同时，压气机增压比也相应增加，用于热端部件冷却的压气机引气温度升高，这一矛盾使得热端部件的热防护问题日益尖锐[1-2]。目前，对于发动机热端部件热防护的主要措施，包括寻找和开发更加耐高温的材料，以及发展高效的冷却技术。其中，利用燃油或外涵空气作为冷却介质改善引气冷却品质是一个重要技术途径[3-4]。

在冷却空气引气品质提升技术中，换热器是一个核心部件。尽管换热器作为一种常规的热交换装置在众多的工业领域得到了广泛的应用，但是，在飞行器和航空发动机中的应用却面临着更为苛刻的使用要求。对于现阶段应用于航空发动机的换热器，在考虑其换热效果的同时，还需兼顾其对发动机本身的影响。考虑到发动机中换热器所需面对的严苛的环境，应用于发动机外涵道中的换热器，多为管束式[5-6]和板翅式[7-8]2种较为简单的换热器结构。

利用燃油作为冷却热沉也是近几年比较热门的研究方向。煤油具有较高的比热容，且流动粘性较大，与空气相比其换热效果明显要好，但由于煤油的成分十分复杂，且其物性参数随压力和温度会发生剧烈的变化，因此对于煤油换热特性的研究一直在持续[9-11]。

鉴于空气-燃油双工质换热器结构简单、可靠性强的特点，本文结合发动机外涵流道实际气动参数和引气参数，以及引油流量参数对其开展数值模拟研究；借鉴冷却腔体内部扰流片强化传热等技术手段，重点关注换热器燃油管数目、直径及截面形状对换热器结构内燃油流动损失和引气温降的影响。通过温降和压降特性的综合评定，为实际应用提供理论依据。

1 计算模型

鉴于外涵换热器在周向呈周期性布置的结构，提取一个空气-燃油双工质换热器模块单元作为计算模型，如图1所示。双工质换热器模型计算域包括外涵通道、换热器主体。其中，换热器主体部分由引气管、冷却腔体、折流片、引油管、集油腔和燃油管组成。轴向长度(x方向)、周向长度(y方向)和高度(z方向)分别为600 mm，120 mm和70 mm，上下两面为绝热固体表面，两侧采用周期性边界条件；高温引气自一侧引气管流入换热器冷却腔体内部，换热器冷却腔体的长、宽、高分别为110 mm，80 mm，20 mm，上下壁厚为5 mm，如图2所示。为强化冷却腔体内部流动换热，冷却腔体内部上下表面沿纵向布置一定数量的折流片结构，折流片厚度

图1 计算域示意

图2 冷却腔体内折流片

(δs)为1.5 mm，高度(Hs)为3 mm，数目为5个。换热器前后缘安装楔形结构，楔形结构内部中空，既可作为集油腔，也可作为外涵流动减阻结构，降低外涵道流动阻力。燃油管沿轴向布置在冷却腔体固体域中。如图3所示，整个计算模型流域分为3股：外涵空气流经换热器外表面；高温引气流经换热器内部；煤油流经集油腔及换热器主体部分固体域中的燃油管道。

针对图1所示的计算模型，相应的边界条件设置如下：

a.外涵气流采用质量流量进口，进口质量流量(m1)按照发动机实际流量确定，选择为1.20 kg/s，进口气流温度为484.5 K。外涵道出口采用压力出口边界条件，出口总压设为0.48 MPa。

b.引气流同样采用质量流量进口，进口质量流量(m2)为0.36 kg/s，进口温度为862 K；出口总压

图3 计算域视图

设为3.14 MPa。引气流量由涵道比和引气比率计算得出。本文选择涵道比n=0.33，对应于设计点外涵质量流量1.20 kg/s下的引气比率为10%，计算得引气流质量流量为0.36 kg/s。

c.所有固体壁面均定义为无滑移速度边界条件，除外涵道上下机匣壁面采用绝热边界条件外，其余固体壁均采用流-固耦合传热方式。换热器材料采用铝，其导热系数随温度的变化近似处理为线性关系。当T=200 ℃时，导热系数λs=238 W/(m·K)；当T=600 ℃时，导热系数λs=215 W/(m·K)。

2 计算方法及参数定义

2.1 计算方法

本文采用Fluent分离隐式求解器对外涵换热器结构进行内外流耦合传热稳态求解。湍流模型选用Realizablek-ε方程模型，壁面函数采用增强壁面函数进行处理。

采用Gambit软件对计算域进行分块网格划分，计算域局部网格如图4所示。对燃油管和集油腔内侧近壁面进行网格加密处理，以保证近壁网格无因次法向距离y+在1左右。为验证网格无关性，在网格独立性检验中采用6个网格样本，每个网格样本的网格数相差约75万，最终选择计算网格数量大约为700万。

图4 网格划分局部示意

在Fluent计算中，将所有流体视为理想气体，气体定压比热容和热导率根据分子动理论进行计算，动力黏度根据Sutherland公式进行计算。采用二阶迎风差分格式进行离散，压力-速度耦合采用SIMPLE算法。在计算过程中，当残差小于1×10-4且平稳时，认为计算收敛。

2.2 参数定义

对于双工质换热器而言，关注的技术参数主要包括燃油流动压力损失和引气流温降等2个方面。

换热器燃油流动压降定义为

(1)

换热器引气温降定义为

ΔTP=TP1-TP2

(2)

TP1为引气管进口平均温度；TP2为引气管出口平均温度。

3 计算结果与分析

3.1 燃油管排布置的影响分析

本节研究了冷却腔体上下单侧燃油管数目分别为3，5和7时，不同燃油流量对换热器整体流动换热性能的影响。

如图5为相同燃油流量下，不同燃油管数目和直径燃油速度分布云图(n为单侧燃油管数目，d为燃油管直径，Z为云图所截取平面的纵向高度)。对比图5a、图5b和图5c可以看出，由于引油管布置的非对称性，导致燃油从集油腔内流入燃油管时，产生一个切向速度，使得燃油管内燃油呈现螺旋流动状态，这在一定程度上强化了燃油与固体域间的换热性能。燃油管数目增加时，燃油管内流速明显下降，但整体换热面积有较大幅度的提升。对比图5c和图5d可知，在燃油管总截面积相同情况下，燃油管数目越少，管径越大，虽然单根管内的燃油流量有所提高，但由于其流通截面积增大，使得其管内流速有一定程度的下降，尤其是靠近燃油总引油管位置处的燃油管，管内速度下降更为明显。

不同燃油管数目和直径下燃油流动压降随燃油流量变化曲线如图6所示。在相同燃油流量下，燃油管管径相同，管道数目越多，燃油流动压降越小，而且随着燃油流量的增加，不同燃油管数目下的燃油流动压降差别越来越大。这是因为在燃油流量相同的情况下，燃油管数目的增加使得整体流通截面积显著增加，且单根管内分配到的燃油流量减少，燃油管内流动阻力减小。当燃油进口质量流量为0.06 kg/s时，相比较于燃油管数目为3时，燃油管数目为5和7时的燃油流动压降下降了24.2%和30.8%。当燃油管数目相同时，燃油流动压降随着燃油流量的增加而显著提高，且燃油管数目越少，其增长幅度越大。对于燃油管总流通截面积相同、燃油管数目不同而言，燃油流动压降在不同燃油总流量下均基本一致，这说明燃油流动压降与油管总流通截面积存在很大的关联。

图5 不同燃油管数目和直径下燃油速度分布的对比

不同燃油管数目和直径下引气温降随燃油流量的变化曲线如图7所示。在燃油流量一定的情况下，燃油管管径相同时，由于燃油管数目的增加，燃油与固体域间的换热面积显著扩展，因此引气温降显著增加。在相同燃油流量下，燃油管数目从3变化到7，引气温降均提高了7 K左右。而对于相同的燃油管数目，随着燃油流量的增加，整体传热热量显著提升，且燃油管内流速加快，换热效果进一步提高，引气温降显著提高。燃油流量从0.03 kg/s变化到0.08 kg/s，引气温降均提高了10 K左右。而对于燃油管总截面积相同，而燃油管数目分别为7和5时，相比较于7根燃油管，5根燃油管时的引气温降有所下降。这主要是因为燃油管总截面积相同，燃油管数目越少，其整体换热面积越小，而且燃油管数目为5时，燃油管内流速有一定程度的下降，综合以上因素，整体换热效果下降。相比较于燃油管数目为7时，燃油管数目为5时的引气温降下降了1.8～2.9 K。

图6 不同燃油管数目和直径下引油压降随燃油流量变化曲线

图7 不同燃油管数目和直径下引气温降随燃油流量变化曲线

3.2 燃油管截面形状的影响分析

本节研究了燃油管数目为5时，其截面形状分别为圆形、椭圆形和跑道形时对燃油管流动换热性能的影响。

相同燃油流量下，不同燃油管截面形状燃油管速度分布云图如图8所示。可以看出，由于引油管的非对称布置，不论何种管型，右侧管道管内流速要明显小于左侧管道。对于椭圆型和跑道型管而言，从管壁处到管道中心存在明显的速度梯度变化，管壁和管道中心的速度差最大达到了0.7 m/s左右，但对于圆形管而言，其速度梯度变化趋势并不明显。但这主要是由于椭圆型和跑道型管属于周向非对称管型，这2种管型内燃油流动的附面层发展不对称，而且管道上下壁面间距更小，使得其管型中心的流速偏高。

图8 不同燃油管截面形状下燃油管内速度分布的对比

图9为不同燃油管截面形状下燃油流动压降变化曲线。可以看出，燃油管形状对引油压降影响很小，这再次证明燃油管截面积是影响燃油流动压降的主要因素。在相同的燃油总流量下，相比较于圆形管，椭圆形管和跑道形管燃油流动压降有稍微的上升，而且燃油流量越大，其流动压降差别越大，这证明圆形管是最有利于流体流动的管型。但对于同一种管型而言，随着燃油流量的增加，燃油流动压降急剧上升，燃油总流量从0.03 kg/s变化到0.08 kg/s，燃油流动压降均上升了0.7%左右。

图9 不同燃油管截面形状下燃油流动压降随燃油流量变化曲线

图10为不同燃油管截面形状下引气温降随燃油流量变化曲线。对于椭圆形管和跑道形管而言，虽然其截面积与圆形管相同，但其整体换热面积较圆形管大，而且燃油管内螺旋流动对椭圆形管和跑道形管内避免的影响更大，因此其整体换热效果较圆形管来说要更好。相比较而言，跑道形管换热效果最好，椭圆形管次之，圆形管最差。在不同燃油总流量情况下，跑道形管的引气温降较圆形管均提高了7.9 K左右。而且随着燃油总流量的提高，各管型下引气温降均升高了9.8 K左右。

图10 不同燃油管截面形状下引气温降随燃油流量变化曲线

4 结束语

本文利用Fluent商用软件进行数值模拟，研究了外涵空气-燃油双工质换热器燃油管道结构对高温引气的冷却效果，通过分析模拟计算结果，在本文的计算工况范围内得出以下结论：

a.燃油管数目的增加既有利于增加流通面积，也能扩展燃油整体换热表面积，从而在有效降低燃油流动阻力的情况下，提高整体换热效果。

b.燃油管总流通截面积是决定燃油流动压降的关键因素；但当燃油管总截面积相同时，燃油管数目的减少使得换热效果有所下降。

c.在相同燃油管截面积的情况下，燃油管截面形状对于流动压降影响很小。就换热性能而言，跑道形换热效果最佳，椭圆形其次，圆形最差。跑道形燃油管道下引气温降较圆形管提高了7.9 K。