新型航空发动机空气冷却器流动传热性能试验

闫广涵 ，严 晗 ，姜 楠 ，刘 瑜 ，梁义强 ，赵佳飞

（1.大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连 116024；2.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

0 引言

航空发动机的更新换代带来的温度提升问题是制约飞机进一步发展的重要原因。目前增压比接近30，涡轮前温度将达到2400 K 左右[1]。随着发动机推重比的不断提高，未来推重比15一级的第5代发动机涡轮进口温度将达到2000～2250 K[2]。对发动机的压气机进口进行预先冷却是降低发动机温度的途径，可用热沉有燃油、外涵道空气等[3]。在冷气用量和冷却结构无法大幅变化的前提下，最有效的出路就是降低冷却空气本身的温度，提高冷气本身品质。这种技术被称为冷却冷却空气（Cooled Cooling Air，CCA）技术[4-6]。在发动机上安装空气冷却器，使用外涵冷气或燃油对冷却空气预先冷却，从而提高冷却空气品质[3]。换热器是热量交换的重要场所，高温空气与冷却工质在换热器内通过换热面充分传热[7-8]。用于冷却空气的换热器称为空气冷却器，由于航空发动机应用环境的复杂性，对其空气冷却器提出了要求[3]：轻质化、高效、安全；在系统中布置合理，换热性能和空气动力学性能良好。在空气冷却器效率的影响因素中，涡量是决定换热是否充分的重要指标。影响涡量的因素有流量以及流道中扰动结构的形貌特征。多孔介质因为比表面积大、质量轻等优点越来越受到关注，成为替代传统翅片的理想扰动结构[9]。流体流经多孔介质扰动结构时产生大量的涡，有利于热量充分交换，但是会提升压降，加大泵功消耗。

合理选择多孔介质扰动结构可以提升综合换热性能。现阶段在换热器上常用的多孔介质有：桁架[10]、泡沫金属[11]、点阵结构[12]以及三周期极小曲面结构等。三周期极小曲面结构，因其比表面积大、力学性能可靠、结构形貌特征更容易控制等优点被广泛研究。三周期极小曲面扰动结构目前在换热器领域应用广泛，因为其通过数学公式可方便地控制孔隙率、整体形状等结构参数，并可以根据需要调整。Kim等[13]设计出多种以极小曲面为核心的异形换热器，以满足不同应用需求。将极小曲面结构作为一次表面换热器也是当前的研究热点，Femmer T 等[14]的1 项试验研究中微型换热器核心结构总体尺寸是10 mm×10 mm×10 mm，冷热流体在换热器中换热。结果表明，随着流量的增加，所有换热器的传热效率都降低文献中提到的传热效率是1 个无量纲传热效率。Al-Ketan O 等[15]对于结构优化研究已经有梯度孔隙率的相关内容，杂化是结构优化的方法之一，在结构杂化相关研究中，以往的研究更偏重力学性能分析，对于应用在换热器中的流动换热性能，有待进一步研究。

本文通过试验方法，研究不同结构的流动传热特性，为三周期极小曲面杂化结构进一步应用提供数据支撑。

1 模型设计与制造

1.1 模型设计

三周期极小曲面控制方程以三角函数为基础，不同类型的极小曲面通过不同的控制方程表达，本文研究的三周期极小曲面基本类型是D 型和P 型，基本表达式为

式中：X=2πx，Y=2πy，Z=2πz；令f（x,y,z）=c，c为常数，代表垂直于曲面偏移一定距离，偏移后再闭合就形成了带厚度的极小曲面结构，当c=0 时，代表没有厚度的极小曲面。

杂化Sigmoid函数为

式中：k为过渡的平滑程度，k值越小过渡越平缓，在这里k=10，此时杂化区域刚好占据1个单元胞体的长度。

杂化方程为

在本文的研究中选用片状极小曲面生成策略-c＜f(x,y,z)＜c，调整c值，使各模型的孔隙率均为80%，骨架体积20%。模型的参数化表征见表1。通过开源软件MSLattice[17]生成STL 格式的3 维文件。杂化理论在本文的研究中选用Sigmoid 函数，Sigmoid 函数杂化的特点是能够在非杂化区最大限度地保存原始结构的形貌特征，在杂化区实现平滑过渡，平滑过渡对于流动性能具有优势。

表1 模型参数化表征

3种三周期极小曲面的3维模型如图1所示。

图1 三周期极小曲面3维模型

由于原始三周期极小曲面结构在3 个方向上都是周期延申的，因此D 型结构和P 型结构不区分不区分流动方向，而杂化的DP结构中间插入杂化区域，来流方向首先流经D 区域再流经P 区域和首先流经P区域再流经D 区域是有区别的，杂化结构的2 种不同流动方向如图2所示。

图2 杂化结构的2种不同流动方向

1.2 模型制造

由于三周期极小曲面结构的复杂结构特征，传统的减材制造无法满足结构制造需求。随着增材制造技术的快速发展，制造出结构复杂的三周期极小曲面结构的技术已经越来越成熟。金属3D 打印机选用EPM250，材料选用AlSi10Mg粉末，密度为2560 kg/m3，金属粉末粒度直径分布在50 mm 左右。D 型结构的样品实物如图3所示。

图3 D型结构样品实物

为了进一步观察打印件的形貌特征，使用X射线扫描样品结构，扫描设备是Bruker®SkyScan 2214 纳米CT。扫描完成后重构结构，通过后处理软件渲染样件特征，P 型结构渲染如图4 所示。从图中可见，在表面处有不均匀的粗糙度，这是因为增材制造过程中颗粒融化后在表面堆积，形成了并不光滑的面，粗糙度不均匀是因为增材制造的后处理不能使表面全部涉及。

图4 P型结构渲染

2 试验

2.1 试验原理

设计单侧空气对流换热试验，测量进出口温度，加热底面温度以及进出口压降，整个试验段的流量也使用体积流量计实时监测。试验以及数据处理过程中用到如下公式

式中：q为热通量；Tw为底面平均温度；Tin为入口温度；j为无量纲的表面传热系数；f为阻力系数；ΔP为入口和出口之间的压降；ΔL为样品流向长度；dh为水力直径；ρ为空气密度；λ为空气的热导率；u为入口速度；μ为空气的动力粘度；ν为空气的运动粘度；cp为空气在恒压下的比热；S为流道横截面积；r为湿周长度；Nu为努塞尔数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数。

试验台原理如图5 所示。试验装置由供气系统、加热系统、数据采集系统和试验段组成。试验装置如图6所示。试验仪器不确定度见表2。

图6 试验装置

表2 试验仪器不确定度%

供气系统由风机（HaoGuan HG620-HF-2-BP）、变频器（WeiSen AE200H-4-3PH-7.5G-11PSPD990-G2.2KW-H3-D）、多根不锈钢管组成的通道以及柔性风管组成。为了保证相对稳定的气流，在试验中选择了负压风机。

加热系统由直流电源（ZhaoXin PS-6005D）和8根电热棒组成。其中直流电源电压调节范围为0～60 V，电流调节范围为0～5 A。每根电热棒的最大加热功率为60 W。为了保证壁面有均匀的热流密度，将8根电热棒均匀的布置在试验段底部。

数据采集系统由3 个子系统组成，分别是温度采集系统、压力采集系统和流量采集系统。温度采集系统由K 型热电偶以及数据记录仪（Agilent® 34972A）组成。为了在计算机上实现实时采集，在试验段的入口和出口分别布置了3 个热电偶，然后在试验段底部沿流动方向对称布置了10 个热电偶，并让热电偶与数据记录仪连接。压力采集系统由2 个压力传感器（UNIK® 5000 PTX 5072-TC-A1-CA-H0-PA）组成，2 个压力传感器被分别设置在试验段的入口和出口。流量采集系统由流量计以及数据采集软件组成。将涡街流量计（LUGB-2/2/03/Z/D/E/N）严格按照说明书布置在通道内。此外，在试验段前后放置相同截面形状的聚四氟乙烯材料，起到隔热和固定作用。

试验测点包括温度测点、压力测点和流量测点。试验台的温度测点共16 个，热电偶分别布置在试验段的进、出口（各3个）和加热底面（10个），进、出口布置的热电偶距离金属骨架进出口边缘40 mm 处，3 个热电偶探头距离底面的距离分别为3、5、7 mm，温度的进、出口值取3个热电偶的平均值。加热底面的10个热电偶均匀布置在距离底面0.5 mm 的试验段内，热电偶从两侧均匀插入，每侧5个热电偶，每2个热电偶间距10 mm，测点深度25 mm，对侧的2个测点间距离10 mm。压力传感器进出口位置各1 个，距离金属骨架进、出口边缘55 mm处。流量计布置在距离试验段1600 mm处。

2.2 试验步骤

试验操作流程如下：

（1）将试件放入试验段，盖上盖板并拧紧；

（2）用密封胶将试验段的缝隙密封；

（3）打开风机确认有无泄露；

（4）确认无泄漏后，用隔热棉将试验段做隔热处理；

（5）打开各测量系统并观察物理参数是否异常；

（6）确认无异常后，打开风机，调整变频器频率；

（7）选取试验系统参数（见表3）进行进一步试验，监控温度、压力和流量值，当温度在10 min内的变化不超过0.5 K 后采集数据。为了减少采样误差，每个工况的采样时间为10 min。每个工况需做重复试验3次，减小操作过程中出现的误差。

表3 试验系统参数

2.3 误差分析

试验的不确定度由2 部分构成，分别是测量误差（A 类不确定度）和试验仪器的误差（B 类不确定度），试验总体误差为

其中

式中：t为为了弥补因试验次数不够多，不能够完美地满足测量误差正态分布的规律的修正因子；Δinstrument为指仪器的分度值；无特别说明时，置信度在68.3%的情况下，C值取，这时是均匀分布。

试验结果误差值见表4。

表4 试验结果误差值

3 结果与讨论

通过试验方法，对不同结构的流动和换热性能进行研究，本章分别讨论了来流速度与样品结构对压降、换热系数以及综合换热系数的影响。

3.1 压降

流体在管中流动时由于能量损失而引起的压力降低，本文的压降指流道中金属骨架进出口测量的空气压力差值。随着来流速度的增加，压降逐渐升高，采用无量纲数阻力系数f表征压降的大小。不同结构阻力系数f与雷诺数Re的关系如图7 所示。在4 种模型中，D 型结构f最小，P 型结构次之，相比于D 型结构，P 型结构在试验速度下的平均f比D 型的大18.76%，说明了D 型结构具有良好的流动性能。杂化结构的流动性能较差，其中D-P 型结构的f最大，比D 型结构的大56.81%，P-D 型结构的压降比D 型结构的大35.29%。杂化结构中2 种原始结构之间的杂化过渡带一定程度上减小了流体流动方向的通孔率，对流体流动造成一定程度的堵塞因此产生了较高的阻力。

图7 不同结构阻力系数f与雷诺数Re的关系

3.2 换热性能

采用努塞尔数Nu表征对流换热能力，Nu是壁面上流体的无量纲温度梯度，值越大表示对流换热能力越强。在结构传热研究中换热性能是一大重要指标，换热性能的优劣决定了扰动结构在换热器上的应用可行性，本节研究了不同扰动结构在不同来流速度下的Nu的大小。不同结构努塞尔数Nu和雷诺数Re的关系如图8 所示。从图中可见，D 型极小曲面结构具有最佳的换热性能，P型极小曲面结构的换热性能最差，D 型比P 型的平均Nu高18.49%。P-D 型杂化极小曲面结构和D-P 型杂化极小曲面结构的Nu介于D 型结构和P 型结构之间，说明杂化结构相对于P 型结构的Nu有所提升，P-D 型杂化结构和D-P 型杂化结构分别比P 型结构的Nu高2%和8.27%。这一试验结果说明了Sigmoid函数杂化方法对于提高传统三周期极小曲面扰动结构的换热性能具有积极作用，同时也要注意到也是对某些传统结构的降低，根据具体的工况选择杂化方法是工程应用的基础。

图8 不同结构努塞尔数Nu和雷诺数Re的关系

3.3 综合换热性能

压降和传热的综合评价指标是结构优化研究中的重要参考依据，本文的综合换热性能采用无量纲数j/f，表示在相同的阻力因子下传热量的一种度量，其物理意义是相同流量下换热能力的增加是否大于阻力的增加。不同结构综合换热性能j/f和雷诺数Re的关系如图9 所示。从图中可见，在4 种结构中，D 型结构的综合换热性能最优，分别比P 型，P-D 型，D-P 型结构高出40.35%，57.2%，71.02%。说明D 型结构在j/f的评价机制下性能占优。同时，D 型和P 型结构相对于杂化结构综合换热性能提升说明了空间中曲面的各个曲率为0 这种曲面特征在单侧流动换热结构中具有优势。在工程应用中也要兼顾具体的环境，选择合适的结构以及杂化形式。

图9 不同结构综合换热性能j/f和雷诺数Re的关系

4 结论

（1）不同结构在不同来流速度下的压降、换热、综合换热性能试验表明，D 型结构f最小，P 型结构的次之，相比于D 型结构，P 型结构在试验速度下的平均f比D型的高18.76%，说明了D型结构具有良好的流动性能。杂化结构的流动性能较差，其中D-P型结构的f最大，比D型结构的高56.81%，P-D型结构的压降比D 型结构的高35.29%。D 型极小曲面结构具有最佳的换热性能，P 型极小曲面结构的换热性能最差，D型的平均Nu比P 型的高18.49%。P-D 型杂化极小曲面结构和D-P型杂化极小曲面结构的Nu介于D 型结构和P型结构的之间，说明杂化结构的Nu相对于P型结构的有所提升，P-D型杂化结构和D-P型杂化结构的Nu分别比P 型结构的高2%和8.27%。在4 种结构中，D 型结构的综合换热性能最优，分别比P 型、P-D型、D-P型结构的高40.35%、57.2%、71.02%。

（2）在实际工程应用中，应合理选择结构以及杂化形式，保证在换热器中插入的扰动结构能够最大限度地满足环境需求。三周期极小曲面的特点是平均曲率为0，主要表现出较好的流动性能，流体沿着壁面流动更加顺畅，对传热的增强主要体现在比表面积的增大，热量可通过更大的表面积传递。航空发动机用换热器的核心需求是安全、轻质、高效，更低的泵功传递更多的热量，体积和质量尽可能减小，以三周期极小曲面为核心的结构在逻辑上符合航空发动机用换热器强化传热的本质要求。

下一步研究工作应该以深入挖掘原始结构及杂化结构的流动传热性能机理为主要目标，通过CFD仿真方法构建流动换热过程中的速度、压力、温度云图，直观认识到内部物理场的分布，为三周期极小曲面结构的定向优化提供理论依据。