单侧加热方形通道内超临界水传热研究

引 言

再生冷却一般利用燃料的热沉冷却燃烧室壁面，然而随着飞行速度的增加，高超声速飞行器燃烧室壁面的散热面临极大挑战。常规的解决方法是通过热管理提高燃料热沉的利用效率[1]，然而仅依靠提高燃料热沉的利用效率无法满足冷却要求，需要增加冷却剂以辅助燃料冷却燃烧室。常用冷却剂有正癸烷、航空煤油RP-3、水和其他高密度烃。与其他冷却剂相比，水具有成本低、来源广和换热能力强的特点，作为优质冷却剂广泛应用于各种换热器。由于燃烧室壁温高，常压下的水容易出现相变，而超临界水的密度近似液体的密度量级，同时又具有与气体相近的扩散能力，具有非常好的流动性和传输性能，超临界水十分适合作为飞行器燃烧室壁面冷却剂。

超临界水在核燃料堆冷却换热研究较为深入，Shang等[2]数值模拟研究了直径对超临界水在水平圆管中流动的影响，发现直径影响传热是由于边界层浮力的变化，小管径更有利于传热。范辰浩等[3]实验研究了小管径内超临界水的传热恶化特性，发现在高热通量时传热恶化的产生是由于流动层流化的发展，而管内径向的工质温度和物性的巨大差异促进了流动层流化的发展。Wang等[4]基于大涡模拟研究了圆形管道中超临界水在无重力、竖直向上和竖直向下流动下的传热，发现与无重力流动相比，向下流动的传热略有改善，向上流动的传热出现恶化，提出由于浮力的影响而产生这些差异。

Bai等[5]数值模拟了竖直向上圆形管道中超临界水非均匀加热对流动换热的影响，发现与均匀加热方式相比，非均匀加热方式表现出显著的差异，截面温度分布沿周向呈现出较大的不均匀性，传热强化仅出现在局部区域。Gao等[6]对超临界水在非均匀加热的水平圆管中的流动换热进行了数值模拟，分析了超临界水的非均匀传热特性及机理，并讨论了侧向二次流和浮升力效应对传热作用开始的判据，发现二次流与热物性之间的相互影响对传热具有重要影响。许多文献对超临界水传热强化和恶化产生的机理进行了分析[7-11]，发现流体物性变化对超临界水传热具有重要影响。文献中对超临界水换热关联式的适用性也进行了研究[12-17]，发现超临界水的关联式需要根据不同工况的换热特点进行修正。

现有研究主要关注超临界水在圆形通道内的流动传热，非圆结构如类矩形、类三角形和方环形等结构也存在相关研究[18-21]，而高超声速飞行器燃烧室壁面的冷却通道具有方形单侧加热特点，目前缺乏超临界水在方形单侧受热通道内流动传热的相关研究，亟需获得其流动传热规律。

本文对超临界水在方形冷却通道的流动换热进行数值模拟研究，通过分析流场和超临界水热物性变化，阐明传热恶化产生和恢复的机理，并验证超临界流体常用传热关联式在单侧加热方形通道内的适用性，最后，提出非对称凹槽和双通道强化结构，防止通道传热恶化，提升通道综合换热性能并进行场协同原理分析。

1 物理模型及数值模拟方法

1.1 计算模型

航空发动机冷却通道紧贴高温壁面，冷却介质在多个微小通道内流动，考虑模型的周期性，研究的模型可以简化为单侧加热的方通道，如图1所示。方通道当量直径为D，壁厚a=2 mm，方形通道加热长度为Lt，为得到较均匀的速度分布并防止回流，模拟过程中增加长度Ld=Lu=0.1 m的入口段和出口段。

图1

图1   方形通道示意图

Fig.1   Schematic of square channel