航空发动机面式空气滑油散热器的性能分析

蔡惠坤 ，苏丽君 ，廖亦戴 ，翁泽钜 ，徐 晨

（厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361102）

大功率飞机的发展以及机载大功率设备的增加[1-3]对飞机的散热要求越来越高，对散热器换热特性的研究也成为了航空发动机热管理系统设计中的重要内容. 应用于飞机的换热器种类很多，环形散热器就是其中一种[4-5]，热交换器位于进气道段，把进气道壁面的一部分作为热交换器的传热表面，能够充分利用飞机空间，占地空间小；同时，只要发动机工作，就有散热能力，更适用于在地面停机、起飞滑跑等缺乏冲压空气甚至没有冲压空气的工况. 因此，环形散热器经常被作为初级散热器应用于环控系统中，或者在简单式环控系统中单独作为换热器使用，也可以置于燃油-滑油散热器后作为后置散热器对滑油进一步冷却.

由国内外对换热器的研究分析可知，数值模拟越来越多地被应用于散热器的换热特性和流动阻力分析[6-8]. 一方面，飞机上的散热器尺寸较大，采用实验研发手段成本高、周期长、条件限制多；另一方面，计算流体仿真（CFD）技术可以方便模拟复杂工况下的流动现象和传热规律，得到流体速度场和温度场的详细信息，经过实验验证后也证明了其准确性和可靠性均能达到良好的程度，满足设计需求和工程应用的标准. 英国学者Patankar等[9]最先将CFD方法应用到实际管壳式换热器上进行数值模拟研究，之后的学者针对翅片结构设计[10-11]、特性参数优化[12-14]、计算模型构建[15-17]等方面开展了大量的数值模拟分析，得到了大量的成果. 但总体来看，由于国外的技术封锁，对环形散热器的研究报道非常缺乏，而国内的探索分析也是相当有限. 因此，本文将开展环形散热器的数值分析，以期能够推进其在航空发动机上的发展和应用.

1 面式散热器模型

本文研究的环形散热器是为某型航空发动机的滑油散热补充的，作为第二散热器置于管壳式换热器后. 该散热器同样置于进气道段，但并未环绕整个进气涵道，其圆周长度所形成的角度为81.5°，故而称之为面式散热器. 散热器采用Solidworks建模，结构类型采用的是带内流道的板翅式换热器，如图1所示. 换热器上半部分为翅片部分，空气在散热器外部顺着翅片形成的通道沿轴向方向流动；下半部分为基板部分，内部嵌有流道，滑油顺着内流道沿着圆周方向流动. 因此空气与滑油形成交叉流，能够进行高效换热，整个散热器的结构尺寸及其工作条件如表1所示，其对应的材料物理参数如表2所示.

图1 面式散热器模型Fig. 1 Illustration of surface heat exchanger model

表1 散热器尺寸大小及其工作条件Tab. 1 Dimensions and working conditions of surface heat exchanger

表2 材料物理参数Tab. 2 Physical properties of heat exchanger

2 数值模拟

由于散热器外形尺寸大，如果将其作为一个整体进行建模和网格划分，网格数量庞大，可达到几千万的级别，对后续的数值求解和计算机硬件将造成极大的负担. 因此，为了提高计算效率和准确性，节省计算时间，本文将基于分区模拟的方法进行面式空气滑油散热器的仿真分析.

首先，将整个散热器均匀地分成14个子单元，如图2所示，每个单元内的翅片厚度为2 mm，翅片数目为18个. 在有限元前处理中采用六面体网格对散热器的本体域、冷空气域和滑油热流体域进行网格独立划分后再组合装配. 网格划分原则及网格独立性分析如文献[18]所示，最终可得空气、散热器、滑油对应的网格数分别为3593 280、274 968、111 264个. 因此，整个散热器总体的计算区域网格数为55 713 168个 .

图2 散热器子单元模型及其网格划分（ANSYS R15.0）Fig. 2 Illustration of heat exchanger element and its mesh generation (ANSYS R15.0)

其次，如图3所示对散热器子单元进行两种不同方式的分区组合：其中7块模式为每两个散热器子单元作为一个仿真模块；4块模式为4/3/3/4的组合方式，顺着滑油的流动方向（图中为从右到左）对每个模块进行标号. 仿真分析时，首先对第一个模块进行计算，然后将上一个模块的计算结果作为下一个模块的边界条件，即将上一个模块的滑油出口温度和压力分布情况作为下一个模块的滑油入口温度和压力边界条件，进而完成整个散热器的仿真分析.

图3 散热器单元组合方式Fig. 3 Composite mode of heat exchanger element

最后，基于同样的仿真条件和边界设置，开展两种不同分块组合下散热器最终的温度场、压力场以及总散热量等参数的数值模拟及其对比分析，以验证对大型散热器采用分区模拟方法的可行性和可靠性.

数值模拟采用的是ANSYS WorkBench中的CFX模块. 流体流动遵循纳维叶-斯托克斯（Navier-Stokes）控制方程，空气侧的雷诺数为481.5，采用层流模型；滑油侧的雷诺数为5 580，采用k-ε湍流模型. 求解器选择隐式格式、SIMPLE算法、二阶迎风进行耦合分析，设置最大迭代步数为500步，能量、质量及速度残差值小于10-5达到收敛标准. 交界面设为耦合传热面，其他面设为绝热壁面，入口选择质量流量入口，出口选择压力出口.

3 仿真结果分析

3.1 单个散热器单元仿真结果

单个散热器单元的仿真结果如图4所示. 由图4可知：对于翅片而言，温度沿着空气流动的方向逐渐升高，也随着翅片从基板到翅高方向逐渐降低；对于滑油而言，中间部分散热较差，流体温度较高，靠近散热器边界部分的流体散热条件较好，温度较低；由于整个内流道采用空腔的结构，滑油压力在内流道的沿程损失较小，进出口的压力差自然也小，与此同时滑油在内流道的散热效果也变差，滑油降低的温度自然也减小.

图4 单个散热器单元仿真结果Fig. 4 Numerical results of heat exchanger element

3.2 分区模拟仿真结果

图5 和图6分别展示了采用4分块和7分块进行整个散热器仿真分析的结果. 散热器和滑油的温度分布与单个散热器子单元的分布类似，不再赘述.当整个滑油冷却完成后，散热器的最高温度（流道中间内壁面温度）低于滑油入口温度和出口温度（如图5的第4模块和图6的第7模块所示），其主要原因是滑油流量高达50 L/min，即使空气流速为50 m/s，因滑油流量较大故而仍未能进行充分换热.

对比图5（a）的第 4模块和图6（a）的第 7模块后发现，散热器的温度分布和变化趋势基本相似，且二者的最高温度相差0.8 K，最低温度相差0.1 K，温度差别在1.0 K以内. 对于滑油的温度分布情况也是类似（图 5（b）的第 4 模块和图 6（b）的第 7 模块），温度差别也在1.0 K以内. 由此可知，采用4分块和7分块进行同一个散热器的模拟分析结果基本一致，对大型换热器采用分区模拟的方法具有可行性和可靠性.

进一步比较分区模拟下散热器的散热量. 由图7可知；两种不同分区方法下，通过空气侧计算出的散热器子单元平均散热量分别为678 W（4分块下）、670 W（7分块下），二者相对误差为1.19%；通过滑油侧计算出的散热器子单元平均散热量均为732 W，与空气侧计算出的散热量误差分别为7.96%和9.25%.由此可知，两种不同分区方法下计算出的散热量也是基本一致的，再次验证了分区模拟方法的可行性.

图5 4分块散热器仿真结果Fig. 5 Numerical results of heat exchanger for Mode 4

图6 7分块散热器仿真结果Fig. 6 Numerical results of heat exchanger for mode 7

图7 散热器散热量Fig. 7 Heat dissipation power of heat exchanger

3.3 采用直平面替代弧面的仿真结果

基于上述分区模拟的可行性与可靠性，进一步探讨采用平面替代弧面进行数值仿真的可行性与可靠性. 这主要是因为当散热器被划分为14个子单元后，子单元的弧长相对于直径是比较小的. 另外，在散热器肋片厚度、肋片间距又都较小即肋片密度较高时，由于显示精度要求较高，导入到ICEM中的模型会出现模型的弧面无法显示的现象，从而导致模型失效.因此，考虑将散热器的弧面变成平面进行仿真模拟，分析的方法和流程与弧面条件下的一致，基于7分块模式下相应的仿真结果如图8所示. 详细对比图6与图8的散热器表面温度分布可以发现：每个模块下采用平面模拟的结果与弧面条件下的温度分布情况和变化趋势基本一致，而且相对应的温度差均在0.5 K以下；滑油的温度分布也是一样的；对于散热量而言，采用平面模拟条件下通过滑油侧计算出的单元散热器散热量为0.766 kW，通过空气侧计算出的单元散热器散热量为0.678 kW，与弧面条件下的散热量偏差分别为4.6%、1.2%，误差在可接受的范围内. 由此可知，采用直平面代替弧面的模型简化方法对于整个散热器性能的仿真分析影响不大. 由于在前面的分析中验证了采用7分块和4分块的仿真分析结果基本一致，因此采用“以直代曲”的仿真分析可以扩延到4分块的仿真中，即弧长与直径的比在0.203以下的弧面模拟可以采用“以直代曲”的分析方法以减小建模和仿真时的困难.

3.4 讨 论

首先，本文的空气和滑油的物性参数参考温度均为其入口温度，且被当成是定物性参数. 虽然实际条件下二者的物性参数都是随温度的变化而变化的，但由仿真分析结果可知，空气和滑油的出口温度与其入口温度均相差不大. 同时，由于本文的重点是验证分区模拟的可行性和可靠性，故而由物性参数造成的误差在可接受的范围内.

此外，虽然采用4分块、7分块以及直平面代替弧面等条件下仿真所得的数值结果分布情况和变化趋势都基本一致，且相对误差都较小，但仍需要通过实验来验证数值计算结果的准确性与可靠性. 目前小型实验系统已接近完成，后续可开展相关实验进行验证，但本文仍然可为大型散热器采用分区模拟进行数值分析提供相应的基础和支持.

4 结 论

1） 本文基于分区模拟的方法开展了航空发动机面式空气-滑油散热器的散热特性分析，并验证了不同分区模块下的等效性.

2） 数值分析结果表明，采用4分块和7分块模式下，二者的散热器和滑油温度分布及变化趋势都基本相似，且温度差都在1.0 K以内. 由此可知，不同分区组合条件下对同一个散热器的模拟分析结果基本一致，对大型换热器采用分区模拟的方法具有可行性和可靠性.

3） 论文还开展了采用平面模拟代替弧面的仿真分析，二者相对应的温度差均在0.5 K以下，滑油侧与空气侧的散热量偏差分别为4.6%、1.2%. 综合分析结果可知，当弧长与直径的比在0.203以下的弧面模拟可以采用“以直代曲”的分析方法，相应的计算结果具有可行性和可靠性.