航空发动机壁面液态金属-碳氢燃料双层冷却通道换热性能研究

摘 要：高马赫数下超燃冲压发动机壁面冷却通道受高热流密度影响易损毁从而导致发动机失效，研究壁面冷却通道冷却性能有利于改善受热不均匀的现象。因此，本文提出液态金属-碳氢燃料双层冷却通道，搭建了液态金属流动换热试验系统，验证了仿真试验系统具有较好的精确度。仿真结果表明，裂解反应提高了燃料的总热沉，同时也加剧了通道内的热分层现象，这是双通道燃料裂解反应带来的双重效应，且在高热流密度工况下体现得更突出；与正癸烷单通道相比，双通道正癸烷侧可将温度不均匀系数RT最大值从55%左右降到18%左右，热沉不均匀系数RH最大值从1000%左右下降至不到100%；与液态金属单通道相比，双通道液态金属侧可将RH最大值从230%降低至80%左右，说明双通道结构有效改善了液态金属在通道内吸收热量的均匀性。本文研究结果为液态金属冷却系统获得合适的燃烧室壁面冷却通道参数提供理论指导。

关键词：液态金属； 碳氢燃料； 壁面冷却通道； 裂解反应； 热分层

中图分类号：V235.2 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.003

近年来，高超声速飞行器作为新一代航空/航天器，受到世界各国的广泛研究[1-4]。而超燃冲压发动机被认为是在高马赫数下最有前途的高超声速飞行器推进系统之一[5-6]。高马赫数下，超燃冲压发动机的热电转换技术至关重要，甚至关系到超燃冲压发动机的进一步发展[7-8]。研究表明，碳氢燃料超燃冲压发动机油气涡轮发电系统因其显著的能量密度和强大的技术可行性而受到青睐。该系统在设计上实现了燃油供给与发电组件和发动机的部件共享，使得整体结构更紧凑，对飞行器质量惩罚较小，从而具有实用价值[9-10]。然而，此系统依赖于再生冷却技术[11]，其发电效能与发动机的热负荷、燃料温度及裂解产物的成分紧密相关，导致发电性能受到再生冷却技术的制约。再生冷却技术采用燃料作为冷却剂直接冷却发动机壁面[12]，但随着飞行马赫数进一步提高，壁面的热载荷逐渐超出了燃料的吸热极限[13]。与此同时，燃料在高温下吸热裂解产生的结焦问题极易堵塞壁面冷却通道，从而使壁面冷却失效，甚至使燃烧室壁完全损毁[14]。为解决如此高热流下的壁面冷却问题，同时充分回收燃烧室产生的高品位热能，很多研究关注再生冷却通道内碳氢燃料的裂解换热过程[15-16]。另外，也有学者提出第三流体冷却技术，目前进行了相关研究的超燃冲压发动机第三流体冷却工质有氦气、苯、甲苯、超临界二氧化碳、氦氙混合气体、氨水和液态金属等。王娟等[17]采用R22、乙烷及乙醇作为第三流体冷却剂，对第三流体循环发动机的性能进行了评估，并将其与氢膨胀循环以及燃气发生器膨胀循环的性能进行了对比研究。结果表明，采用第三流体冷却循环技术可以提供更高的燃烧室压力，特别是在选择乙烷作为第三流体时，发动机的综合性能表现更为优越。鲍文等[18]则创新性地设计了一种利用氨水作为循环介质的超高速飞行器冷却系统，该系统的主要目标在于有效解决超燃冲压发动机在冷却过程中面临的燃料消耗量大、热交换能力不足等关键问题。此外，鲍文在另一项研究中[19]还提出了一种基于封闭式布雷顿循环的超燃冲压发动机热管理方案，该方案运用了氦氙混合气体（He-Xe）作为工作介质，以期实现更高效的性能效果。程昆林等[20-21]提出超燃冲压发动机燃料间接冷却系统，以液态金属作为第三流体冷却发动机壁面，可改善壁面冷却效果，进一步提高飞行马赫数。与其他第三流体工质对比，液态金属导热系数大，热响应快，可以承受更高的热流密度。与再生冷却的碳氢燃料相比，液态金属最显著的优点是冷却通道无结焦，可以有效保护高温燃烧室壁面。然而，目前得到液态金属壁面冷却效果仅仅是基于一维计算的结果，尚未开展液态金属在三维壁冷通道内的换热研究，通过一维计算得到的结论是液态金属在通道内换热是有限的，冷却通道结构对液态金属换热过程的影响研究不足，且燃烧室壁面受单面加热的影响，冷却通道内流体受热极不均匀，从非加热面到被加热面的垂直方向上存在较大的温度梯度，形成的不均匀流场会影响能量回收过程。因此，有必要对冷却通道内换热过程进行研究，本文提出液态金属-碳氢燃料双层冷却通道，探究双层冷却通道的换热性能，旨在获得超燃冲压发动机壁面冷却通道的优化结构，为改善通道内的热力分层提供理论基础。