组合发动机微细通道氦加热器设计与流动换热

张敬旋，李光熙，南向谊，马 元，唐桂华

(1．西安交通大学 热流科学与工程教育部重点实验室，陕西 西安 7100492．西安航天动力研究所，陕西 西安 710100)

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协同吸气式火箭发动机(synergetic air-breathing rocket engine，SABRE)是英国REL(Reaction Engines Ltd)公司设计的一种预冷组合发动机，具有工作范围宽、燃料消耗量低、可重复利用性强等优势，是未来极具有前景的新型动力。SABRE发动机最大的技术优势是轻质紧凑高效的换热器，系统主要包括三大换热器，分别是与深冷空气换热的空气预冷器HX1、与预燃室排气换热的氦加热器HX3、与氢气换热的氢氦回热器HX4。氦加热器HX3的换热工质为氦气和预燃室高温燃气，其主要作用是把低温氦气加热到一定温度，驱动氦涡轮。

文献中对氦加热器(HX3)的结构研究较少，REL公司的研究表明，氦加热器(HX3)不会影响系统熵守恒，为了减轻换热器重量，可以选择横流结构替代逆流结构，并且可以将换热器分解为大量相同模块。对于换热器设计而言，精确可靠的换热流阻关联式至关重要。对于管内换热，Dittus-Boelter提出的由雷诺数和普朗特数组合的关联式，得到了广泛应用。Gnielinski通过大量实验数据拟合得到的关联式具有较高的精度。对于流体外掠管束换热，Zukauskas基于大量实验数据获得的顺排及叉排关联式，可以在很宽的Pr(Prandtl Number)数范围内使用。此后Khal等考虑管间距和管径相对大小对管束换热的影响，采用数值模拟方法对Zukauskas关联式的系数进行了修正。

然而，文献中对管内外流动换热的研究主要集中在10 mm以上的大通道，且实验结果与关联式预测结果偏差在20 %左右。……