考虑浮升力影响的矩形通道内航空煤油流动换热数值研究*

王壮壮,张登成,周章文,粟 银

(1 空军工程大学航空工程学院, 西安 710038； 2 空军工程大学基础部, 西安 710051)

0 引言

航空煤油凭借体积热值和热沉高、易于携带等优势广泛用于超燃冲压发动机再生冷却系统中[1]。其工作压力一般大于临界压力(约2.2 MPa)[2],热物性在拟临界温度附近变化剧烈,且在不同飞行状态下,过载也会发生变化,从而改变冷却通道内浮升力效应,引起二次流动的变化。一方面二次流与主流叠加使流体相互掺杂,提高了换热效率；另一方面二次流会引起压力损失,降低流动效率[3]。

目前,浮升力对碳氢燃料流动换热的影响研究大多集中于圆管内。王彦红等[4]数值模拟了水平圆管内RP-3航空煤油的流动与传热特性,认为二次流的演变规律能合理的解释RP-3航空煤油的非均匀传热机理。贾洲侠等[5]分析了浮升力及热物性对碳氢燃料在垂直圆管中对流换热的影响,在向上流动中发现进口段存在较为明显的入口效应,换热出现恶化现象,而在向下流动中未出现。Pizzarelli等[6]对超临界压力下低温甲烷在三维方管中的流动和传热过程开展了数值研究,发现甲烷在拟临界点附近出现了传热恶化。超燃冲压发动机再生冷却通道多为矩形通道[7],且为单侧加热,对于矩形通道内浮升力对流动换热的影响还少见报道。

文中数值模拟了不同过载作用下,浮升力对RP-3航空煤油在矩形再生冷却通道中流动换热的影响,探究了浮升力对航空煤油流动换热的影响规律。

研究结果有助于更清楚的认识浮升力的作用机理。

1 计算模型

1.1 计算模型和边界条件

超燃冲压发动机燃烧室的4个壁面可认为分布着多个大小和受热环境均相同的再生冷却通道[8],因此取单根冷却通道进行研究。为简化计算,规定横向过载沿Y轴负方向,取0,0.5,1,2四组横向过载,通过改变横向过载的方向模拟燃烧室不同位置的受力情况。沿Y轴负方向表示燃烧室上表面冷却通道a的受力状况；沿Y轴正方向表示燃烧室下表面冷却通道b的受力状况；由于燃烧室两侧冷却通道对称分布,故沿X轴正方向表示燃烧室两侧冷却通道c的受力状况。

图1 燃烧室截面示意图

为了增加计算的精确度,适当增大了冷却通道的尺寸。如图2所示,δ为肋片厚度,H为通道高度,W为通道宽度,d为外壁厚度,e为内壁厚度,d=2 mm,e=2 mm,H=8 mm,W=8 mm,δ=2 mm。通道加热段长度l=5 500 mm,加热段前端的绝热段长500 mm,坐标轴z=0对应加热段起点位置。入口边界条件为质量流量入口,min=50 g/s,进口温度Tin=300 K；对燃气侧壁面施加恒定热流,热流密度qw=1 MW/m2,加热段边界为壁面边界条件,上壁面和两侧壁面均设置为绝热壁面；出口边界条件为压力出口,为了保证管内煤油始终处于超临界压力状态,取pout=3 MPa。RP3航空煤油在温度超过850 K后会发生明显的热裂解反应[9],文中在各种计算工况下出口煤油平均温度均在700 K以下,故忽略极少量煤油裂解对计算的影响。

图2 再生冷却通道模型示意图

燃烧室壁面采用1Cr18Ni9Ti不锈钢,耐温极限为1 473 K[10]。密度和定压比热按常数处理,分别取值为7 900 kg/m3和502 J/(kg·K),热导率按温度的线性函数处理[11],单位为W/(m·K),表达式为:

λw=0.015 25T+10.6

(1)

在数值计算中,引入对流换热系数h表征超临界压力下煤油的换热性能,定义为:

(2)

式中:Tw为加热壁面内侧温度;Tf为平均油温,其定义为:

(3)

式中:u为流速;ρ为煤油密度;Cp为定压比热;A为通道截面面积。

为了定量地分析二次流的影响,引入了二次流速度,定义为:

(4)

1.2 网格划分

采用O-grid创建结构化网格,并对粘性影响区的网格进行细化,划分10层以上网格,确保y+≤1,以保证对流场物理量的精确计算,图3给出了矩形通道截面网格划分结果。轴向网格则采取均匀划分的方式。在进行数值计算前,需要对网格进行无关性分析。截面网格的划分数量分为5组:3 172×1 000、4 957×1 100、6 324×1 100、7 442×1 100、8 334×1 000。计算结果表明:3 172×1 000的网格计算结果不收敛,4 957×1 100与7 442×1 100的网格组合计算所得壁温沿轴向的分布最大差异仅为0.653%,4 957×1 100的网格组合与8 334×1 000和6 324×1 100的网格组合计算所得壁温沿轴向的分布最大差异小于1.5%。因此,为了节约计算资源,取4 957×1 100的网格进行计算。

图3 再生冷却通道截面网格

1.3 碳氢燃料热物性模型

RP-3航空煤油成分复杂,热物性数据难以直接得到,故采用仲峰泉等[12]提出的十组分替代模型,利用NIST SUPERTRAPP程序计算得到3 MPa压力下煤油的物性数据,如图4所示。通过分段多项式拟合,获得煤油的物性参数与温度的函数关系式[13]。

图4 3 MPa压力下RP-3航空煤油的热物性

2 数值计算方法及验证

2.1 数值方法

文中模拟了变物性的复杂流动和二次流,湍流模型采用RNGk-ε两方程模型。在近壁区,湍流发展并不充分,雷诺数较低,采用增强壁面处理法保证近壁区物理量的计算精度。通过有限容积法离散三维的Navier-Stokes方程,运用SIMPLEC算法求解压力-速度耦合方程,动量和能量方程均采用二阶迎风格式。

2.2 数值方法验证

由于缺乏超临界压力下煤油在矩形管内流动换热的实验数据,故对仲峰泉等[12]在二级加热圆管内的实验进行数值模拟,以验证文中数值方法的可靠性。如图5所示,计算结果与实验值的最大误差仅为8.3%,故认为文中采用的计算方法可靠[14]。

图5 油温、壁温分布

3 计算结果分析

图6给出了冷却通道a在过载为1时,出口处截面的二次流矢量图。由于矩形通道单侧加热,内部煤油温度分布不均匀,导致同一截面下壁面附近的流体温度高、密度小,中心区域温度低、密度大,受浮升力的影响,中心区域温度低的流体向下运动,壁面附近温度高的流体被迫沿两侧向上流动。

图6 二次流矢量图

图7～图9给出了在不同过载条件下,燃烧室不同位置冷却通道对流换热系数沿流动方向的分布。

图7 冷却通道a对流换热系数

图8 冷却通道b对流换热系数

图9 冷却通道c对流换热系数

在冷却通道a内,过载为0时,通道内出现了正常传热、传热恶化和传热强化3个阶段。随着过载的增加,煤油对流换热系数逐渐增大,传热恶化位置逐渐后移,煤油对流换热能力得到提升；在加热初始阶段,不同过载条件下煤油对流换热系数基本相同；过载在0～0.5时,过载对煤油对流换热能力影响比较显著,随着过载继续增大,过载成倍增加而煤油换热系数只是缓慢提升。

在冷却通道b内,过载的增加反而降低了煤油换热能力,在过载比较小时(小于0.5),过载对煤油流动换热几乎没有影响,随着过载的逐渐增大,煤油流动换热能力降低,传热恶化位置前移。这是由于冷却通道b下壁面附近的煤油温度高、密度小,中心区域和上壁面附近煤油温度低、密度大,而过载的存在使煤油逆密度梯度流动,过载较小时不足以克服密度梯度的影响,通道底部的紊流状态几乎不发生改变,故对流换热系数变化不明显。随着过载的继续增加,下壁面温度高、密度小的煤油向上壁面流动,两侧高温煤油向中心区域流动,由于在冷却通道下壁面中心区域温度高于两侧,通道两侧高温煤油向中心区域的流动使通道下壁面煤油温度分布趋于一致,下壁面煤油流动向层流发展,对流换热系数略有降低。

在冷却通道c内,过载的增加有效的提升了煤油流动换热能力,传热恶化位置不仅后移,且极大降低了传热恶化的程度；与燃烧室上壁面冷却通道类似,在过载较小时,过载对提升煤油换热能力的影响也比较明显。

图10 过载为1时,不同冷却通道对流换热系数

从图10可以看出:过载为1时,冷却通道b对流换热系数略低于过载为0时对流换热系数,冷却通道a和c对流换热系数变化相近,均高于过载为0时对流换热系数,煤油流动换热能力得到明显改善。

图11给出了在min=50 g/s,qw=1 MW/m2,过载为1时,不同管截面的二次流速度等值线,各通道入口处煤油流速均为1.007 m/s。由图11(a)～图11(d)可以看出:在同一通道内,二次流沿流动方向逐渐增强。这是由于在加热初始阶段,通道内煤油温度低于临界温度,煤油热物性变化比较平稳,二次流速度较小,故对流换热系数也基本相同。

图11 过载为1时不同冷却通道截面的二次流速度等值线

在冷却通道b内,二次流速度较小,在冷却通道下壁面肋片侧高温煤油向中部流动,使下壁面附近煤油温度趋于一致,密度梯度较小。在冷却通道c内,过载作用使得冷却通道底部煤油从肋片一侧向另一侧流动,底部煤油沿轴向流动更加紊乱,增强了煤油的换热能力,换热系数得到提升,但是通道底部的煤油流动使高温煤油聚集在一侧肋片,冷却通道两侧肋片温度分布不均匀。

以无过载时最高壁温为基准,表1给出了过载对各冷却通道最高壁温的影响。在相同过载条件下,冷却通道c最高壁温低于冷却通道a和b；在不同过载条件下,冷却通道a和c最高壁温均减小4.5%以上,冷却通道b最高壁温略有提高。综合来看,虽然冷却通道c两侧肋片温度分布不均匀,但整体换热能力优于冷却通道a和b。

表1 过载对各冷却通道最高壁温的影响 %

4 结论

研究了浮升力对再生冷却矩形通道内煤油流动换热的影响,比较了超燃冲压发动机不同位置处冷却通道内浮升力的作用效果,得出以下结论:

1)在加热初始阶段,各冷却通道内煤油温度低于其临界温度,煤油热物性变化比较平稳,二次流速度较小,过载的增加对对流换热系数影响很小。

2)随着过载的增加,超燃冲压发动机上壁面和两侧壁面冷却通道换热能力得到增强,传热恶化现象得到明显改善,但下壁面冷却通道煤油换热能力小幅度减弱。

3)由于过载的作用,燃烧室两侧壁面冷却通道内二次流分布不均匀,温度向一侧肋片集中,但整体换热能力优于其他位置的冷却通道。