新型航空發動機空氣冷卻器流動傳熱性能試驗

閆廣涵 ，嚴 晗 ，姜 楠 ，劉 瑜 ，梁義強 ，趙佳飛

（1.大連理工大學能源與動力學院，遼寧大連 116024；2.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

航空發動機的更新換代帶來的溫度提升問題是制約飛機進一步發展的重要原因。目前增壓比接近30，渦輪前溫度將達到2400 K 左右[1]。隨著發動機推重比的不斷提高，未來推重比15一級的第5代發動機渦輪進口溫度將達到2000～2250 K[2]。對發動機的壓氣機進口進行預先冷卻是降低發動機溫度的途徑，可用熱沉有燃油、外涵道空氣等[3]。在冷氣用量和冷卻結構無法大幅變化的前提下，最有效的出路就是降低冷卻空氣本身的溫度，提高冷氣本身品質。這種技術被稱為冷卻冷卻空氣（Cooled Cooling Air，CCA）技術[4-6]。在發動機上安裝空氣冷卻器，使用外涵冷氣或燃油對冷卻空氣預先冷卻，從而提高冷卻空氣品質[3]。換熱器是熱量交換的重要場所，高溫空氣與冷卻工質在換熱器內通過換熱面充分傳熱[7-8]。用于冷卻空氣的換熱器稱為空氣冷卻器，由于航空發動機應用環境的復雜性，對其空氣冷卻器提出了要求[3]：輕質化、高效、安全；在系統中布置合理，換熱性能和空氣動力學性能良好。在空氣冷卻器效率的影響因素中，渦量是決定換熱是否充分的重要指標。影響渦量的因素有流量以及流道中擾動結構的形貌特征。多孔介質因為比表面積大、質量輕等優點越來越受到關注，成為替代傳統翅片的理想擾動結構[9]。流體流經多孔介質擾動結構時產生大量的渦，有利于熱量充分交換，但是會提升壓降，加大泵功消耗。

合理選擇多孔介質擾動結構可以提升綜合換熱性能。現階段在換熱器上常用的多孔介質有：桁架[10]、泡沫金屬[11]、點陣結構[12]以及三周期極小曲面結構等。三周期極小曲面結構，因其比表面積大、力學性能可靠、結構形貌特征更容易控制等優點被廣泛研究。三周期極小曲面擾動結構目前在換熱器領域應用廣泛，因為其通過數學公式可方便地控制孔隙率、整體形狀等結構參數，并可以根據需要調整。Kim等[13]設計出多種以極小曲面為核心的異形換熱器，以滿足不同應用需求。將極小曲面結構作為一次表面換熱器也是當前的研究熱點，Femmer T 等[14]的1 項試驗研究中微型換熱器核心結構總體尺寸是10 mm×10 mm×10 mm，冷熱流體在換熱器中換熱。結果表明，隨著流量的增加，所有換熱器的傳熱效率都降低文獻中提到的傳熱效率是1 個無量綱傳熱效率。Al-Ketan O 等[15]對于結構優化研究已經有梯度孔隙率的相關內容，雜化是結構優化的方法之一，在結構雜化相關研究中，以往的研究更偏重力學性能分析，對于應用在換熱器中的流動換熱性能，有待進一步研究。

本文通過試驗方法，研究不同結構的流動傳熱特性，為三周期極小曲面雜化結構進一步應用提供數據支撐。

1 模型設計與制造

1.1 模型設計

三周期極小曲面控制方程以三角函數為基礎，不同類型的極小曲面通過不同的控制方程表達，本文研究的三周期極小曲面基本類型是D 型和P 型，基本表達式為

式中：X=2πx，Y=2πy，Z=2πz；令f（x,y,z）=c，c為常數，代表垂直于曲面偏移一定距離，偏移后再閉合就形成了帶厚度的極小曲面結構，當c=0 時，代表沒有厚度的極小曲面。

雜化Sigmoid函數為

式中：k為過渡的平滑程度，k值越小過渡越平緩，在這里k=10，此時雜化區域剛好占據1個單元胞體的長度。

雜化方程為

在本文的研究中選用片狀極小曲面生成策略-c＜f(x,y,z)＜c，調整c值，使各模型的孔隙率均為80%，骨架體積20%。模型的參數化表征見表1。通過開源軟件MSLattice[17]生成STL 格式的3 維文件。雜化理論在本文的研究中選用Sigmoid 函數，Sigmoid 函數雜化的特點是能夠在非雜化區最大限度地保存原始結構的形貌特征，在雜化區實現平滑過渡，平滑過渡對于流動性能具有優勢。

表1 模型參數化表征

3種三周期極小曲面的3維模型如圖1所示。

圖1 三周期極小曲面3維模型

由于原始三周期極小曲面結構在3 個方向上都是周期延申的，因此D 型結構和P 型結構不區分不區分流動方向，而雜化的DP結構中間插入雜化區域，來流方向首先流經D 區域再流經P 區域和首先流經P區域再流經D 區域是有區別的，雜化結構的2 種不同流動方向如圖2所示。

圖2 雜化結構的2種不同流動方向

1.2 模型制造

由于三周期極小曲面結構的復雜結構特征，傳統的減材制造無法滿足結構制造需求。隨著增材制造技術的快速發展，制造出結構復雜的三周期極小曲面結構的技術已經越來越成熟。金屬3D 打印機選用EPM250，材料選用AlSi10Mg粉末，密度為2560 kg/m3，金屬粉末粒度直徑分布在50 mm 左右。D 型結構的樣品實物如圖3所示。

圖3 D型結構樣品實物

為了進一步觀察打印件的形貌特征，使用X射線掃描樣品結構，掃描設備是Bruker?SkyScan 2214 納米CT。掃描完成后重構結構，通過后處理軟件渲染樣件特征，P 型結構渲染如圖4 所示。從圖中可見，在表面處有不均勻的粗糙度，這是因為增材制造過程中顆粒融化后在表面堆積，形成了并不光滑的面，粗糙度不均勻是因為增材制造的后處理不能使表面全部涉及。

圖4 P型結構渲染

2 試驗

2.1 試驗原理

設計單側空氣對流換熱試驗，測量進出口溫度，加熱底面溫度以及進出口壓降，整個試驗段的流量也使用體積流量計實時監測。試驗以及數據處理過程中用到如下公式

式中：q為熱通量；Tw為底面平均溫度；Tin為入口溫度；j為無量綱的表面傳熱系數；f為阻力系數；ΔP為入口和出口之間的壓降；ΔL為樣品流向長度；dh為水力直徑；ρ為空氣密度；λ為空氣的熱導率；u為入口速度；μ為空氣的動力粘度；ν為空氣的運動粘度；cp為空氣在恒壓下的比熱；S為流道橫截面積；r為濕周長度；Nu為努塞爾數；Re為雷諾數；Pr為普朗特數。

試驗臺原理如圖5 所示。試驗裝置由供氣系統、加熱系統、數據采集系統和試驗段組成。試驗裝置如圖6所示。試驗儀器不確定度見表2。

圖6 試驗裝置

表2 試驗儀器不確定度%

供氣系統由風機（HaoGuan HG620-HF-2-BP）、變頻器（WeiSen AE200H-4-3PH-7.5G-11PSPD990-G2.2KW-H3-D）、多根不銹鋼管組成的通道以及柔性風管組成。為了保證相對穩定的氣流，在試驗中選擇了負壓風機。

加熱系統由直流電源（ZhaoXin PS-6005D）和8根電熱棒組成。其中直流電源電壓調節范圍為0～60 V，電流調節范圍為0～5 A。每根電熱棒的最大加熱功率為60 W。為了保證壁面有均勻的熱流密度，將8根電熱棒均勻的布置在試驗段底部。

數據采集系統由3 個子系統組成，分別是溫度采集系統、壓力采集系統和流量采集系統。溫度采集系統由K 型熱電偶以及數據記錄儀（Agilent? 34972A）組成。為了在計算機上實現實時采集，在試驗段的入口和出口分別布置了3 個熱電偶，然后在試驗段底部沿流動方向對稱布置了10 個熱電偶，并讓熱電偶與數據記錄儀連接。壓力采集系統由2 個壓力傳感器（UNIK? 5000 PTX 5072-TC-A1-CA-H0-PA）組成，2 個壓力傳感器被分別設置在試驗段的入口和出口。流量采集系統由流量計以及數據采集軟件組成。將渦街流量計（LUGB-2/2/03/Z/D/E/N）嚴格按照說明書布置在通道內。此外，在試驗段前后放置相同截面形狀的聚四氟乙烯材料，起到隔熱和固定作用。

試驗測點包括溫度測點、壓力測點和流量測點。試驗臺的溫度測點共16 個，熱電偶分別布置在試驗段的進、出口（各3個）和加熱底面（10個），進、出口布置的熱電偶距離金屬骨架進出口邊緣40 mm 處，3 個熱電偶探頭距離底面的距離分別為3、5、7 mm，溫度的進、出口值取3個熱電偶的平均值。加熱底面的10個熱電偶均勻布置在距離底面0.5 mm 的試驗段內，熱電偶從兩側均勻插入，每側5個熱電偶，每2個熱電偶間距10 mm，測點深度25 mm，對側的2個測點間距離10 mm。壓力傳感器進出口位置各1 個，距離金屬骨架進、出口邊緣55 mm處。流量計布置在距離試驗段1600 mm處。

2.2 試驗步驟

試驗操作流程如下：

（1）將試件放入試驗段，蓋上蓋板并擰緊；

（2）用密封膠將試驗段的縫隙密封；

（3）打開風機確認有無泄露；

（4）確認無泄漏后，用隔熱棉將試驗段做隔熱處理；

（5）打開各測量系統并觀察物理參數是否異常；

（6）確認無異常后，打開風機，調整變頻器頻率；

（7）選取試驗系統參數（見表3）進行進一步試驗，監控溫度、壓力和流量值，當溫度在10 min內的變化不超過0.5 K 后采集數據。為了減少采樣誤差，每個工況的采樣時間為10 min。每個工況需做重復試驗3次，減小操作過程中出現的誤差。

表3 試驗系統參數

2.3 誤差分析

試驗的不確定度由2 部分構成，分別是測量誤差（A 類不確定度）和試驗儀器的誤差（B 類不確定度），試驗總體誤差為

其中

式中：t為為了彌補因試驗次數不夠多，不能夠完美地滿足測量誤差正態分布的規律的修正因子；Δinstrument為指儀器的分度值；無特別說明時，置信度在68.3%的情況下，C值取，這時是均勻分布。

試驗結果誤差值見表4。

表4 試驗結果誤差值

3 結果與討論

通過試驗方法，對不同結構的流動和換熱性能進行研究，本章分別討論了來流速度與樣品結構對壓降、換熱系數以及綜合換熱系數的影響。

3.1 壓降

流體在管中流動時由于能量損失而引起的壓力降低，本文的壓降指流道中金屬骨架進出口測量的空氣壓力差值。隨著來流速度的增加，壓降逐漸升高，采用無量綱數阻力系數f表征壓降的大小。不同結構阻力系數f與雷諾數Re的關系如圖7 所示。在4 種模型中，D 型結構f最小，P 型結構次之，相比于D 型結構，P 型結構在試驗速度下的平均f比D 型的大18.76%，說明了D 型結構具有良好的流動性能。雜化結構的流動性能較差，其中D-P 型結構的f最大，比D 型結構的大56.81%，P-D 型結構的壓降比D 型結構的大35.29%。雜化結構中2 種原始結構之間的雜化過渡帶一定程度上減小了流體流動方向的通孔率，對流體流動造成一定程度的堵塞因此產生了較高的阻力。

圖7 不同結構阻力系數f與雷諾數Re的關系

3.2 換熱性能

采用努塞爾數Nu表征對流換熱能力，Nu是壁面上流體的無量綱溫度梯度，值越大表示對流換熱能力越強。在結構傳熱研究中換熱性能是一大重要指標，換熱性能的優劣決定了擾動結構在換熱器上的應用可行性，本節研究了不同擾動結構在不同來流速度下的Nu的大小。不同結構努塞爾數Nu和雷諾數Re的關系如圖8 所示。從圖中可見，D 型極小曲面結構具有最佳的換熱性能，P型極小曲面結構的換熱性能最差，D 型比P 型的平均Nu高18.49%。P-D 型雜化極小曲面結構和D-P 型雜化極小曲面結構的Nu介于D 型結構和P 型結構之間，說明雜化結構相對于P 型結構的Nu有所提升，P-D 型雜化結構和D-P 型雜化結構分別比P 型結構的Nu高2%和8.27%。這一試驗結果說明了Sigmoid函數雜化方法對于提高傳統三周期極小曲面擾動結構的換熱性能具有積極作用，同時也要注意到也是對某些傳統結構的降低，根據具體的工況選擇雜化方法是工程應用的基礎。

圖8 不同結構努塞爾數Nu和雷諾數Re的關系

3.3 綜合換熱性能

壓降和傳熱的綜合評價指標是結構優化研究中的重要參考依據，本文的綜合換熱性能采用無量綱數j/f，表示在相同的阻力因子下傳熱量的一種度量，其物理意義是相同流量下換熱能力的增加是否大于阻力的增加。不同結構綜合換熱性能j/f和雷諾數Re的關系如圖9 所示。從圖中可見，在4 種結構中，D 型結構的綜合換熱性能最優，分別比P 型，P-D 型，D-P 型結構高出40.35%，57.2%，71.02%。說明D 型結構在j/f的評價機制下性能占優。同時，D 型和P 型結構相對于雜化結構綜合換熱性能提升說明了空間中曲面的各個曲率為0 這種曲面特征在單側流動換熱結構中具有優勢。在工程應用中也要兼顧具體的環境，選擇合適的結構以及雜化形式。

圖9 不同結構綜合換熱性能j/f和雷諾數Re的關系

4 結論

（1）不同結構在不同來流速度下的壓降、換熱、綜合換熱性能試驗表明，D 型結構f最小，P 型結構的次之，相比于D 型結構，P 型結構在試驗速度下的平均f比D型的高18.76%，說明了D型結構具有良好的流動性能。雜化結構的流動性能較差，其中D-P型結構的f最大，比D型結構的高56.81%，P-D型結構的壓降比D 型結構的高35.29%。D 型極小曲面結構具有最佳的換熱性能，P 型極小曲面結構的換熱性能最差，D型的平均Nu比P 型的高18.49%。P-D 型雜化極小曲面結構和D-P型雜化極小曲面結構的Nu介于D 型結構和P型結構的之間，說明雜化結構的Nu相對于P型結構的有所提升，P-D型雜化結構和D-P型雜化結構的Nu分別比P 型結構的高2%和8.27%。在4 種結構中，D 型結構的綜合換熱性能最優，分別比P 型、P-D型、D-P型結構的高40.35%、57.2%、71.02%。

（2）在實際工程應用中，應合理選擇結構以及雜化形式，保證在換熱器中插入的擾動結構能夠最大限度地滿足環境需求。三周期極小曲面的特點是平均曲率為0，主要表現出較好的流動性能，流體沿著壁面流動更加順暢，對傳熱的增強主要體現在比表面積的增大，熱量可通過更大的表面積傳遞。航空發動機用換熱器的核心需求是安全、輕質、高效，更低的泵功傳遞更多的熱量，體積和質量盡可能減小，以三周期極小曲面為核心的結構在邏輯上符合航空發動機用換熱器強化傳熱的本質要求。

下一步研究工作應該以深入挖掘原始結構及雜化結構的流動傳熱性能機理為主要目標，通過CFD仿真方法構建流動換熱過程中的速度、壓力、溫度云圖，直觀認識到內部物理場的分布，為三周期極小曲面結構的定向優化提供理論依據。