航空發動機壁面液態金屬-碳氫燃料雙層冷卻通道換熱性能研究

摘 要：高馬赫數下超燃沖壓發動機壁面冷卻通道受高熱流密度影響易損毀從而導致發動機失效，研究壁面冷卻通道冷卻性能有利于改善受熱不均勻的現象。因此，本文提出液態金屬-碳氫燃料雙層冷卻通道，搭建了液態金屬流動換熱試驗系統，驗證了仿真試驗系統具有較好的精確度。仿真結果表明，裂解反應提高了燃料的總熱沉，同時也加劇了通道內的熱分層現象，這是雙通道燃料裂解反應帶來的雙重效應，且在高熱流密度工況下體現得更突出；與正癸烷單通道相比，雙通道正癸烷側可將溫度不均勻系數RT最大值從55%左右降到18%左右，熱沉不均勻系數RH最大值從1000%左右下降至不到100%；與液態金屬單通道相比，雙通道液態金屬側可將RH最大值從230%降低至80%左右，說明雙通道結構有效改善了液態金屬在通道內吸收熱量的均勻性。本文研究結果為液態金屬冷卻系統獲得合適的燃燒室壁面冷卻通道參數提供理論指導。

關鍵詞：液態金屬； 碳氫燃料； 壁面冷卻通道； 裂解反應； 熱分層

中圖分類號：V235.2 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.003

近年來，高超聲速飛行器作為新一代航空/航天器，受到世界各國的廣泛研究[1-4]。而超燃沖壓發動機被認為是在高馬赫數下最有前途的高超聲速飛行器推進系統之一[5-6]。高馬赫數下，超燃沖壓發動機的熱電轉換技術至關重要，甚至關系到超燃沖壓發動機的進一步發展[7-8]。研究表明，碳氫燃料超燃沖壓發動機油氣渦輪發電系統因其顯著的能量密度和強大的技術可行性而受到青睞。該系統在設計上實現了燃油供給與發電組件和發動機的部件共享，使得整體結構更緊湊，對飛行器質量懲罰較小，從而具有實用價值[9-10]。然而，此系統依賴于再生冷卻技術[11]，其發電效能與發動機的熱負荷、燃料溫度及裂解產物的成分緊密相關，導致發電性能受到再生冷卻技術的制約。再生冷卻技術采用燃料作為冷卻劑直接冷卻發動機壁面[12]，但隨著飛行馬赫數進一步提高，壁面的熱載荷逐漸超出了燃料的吸熱極限[13]。與此同時，燃料在高溫下吸熱裂解產生的結焦問題極易堵塞壁面冷卻通道，從而使壁面冷卻失效，甚至使燃燒室壁完全損毀[14]。為解決如此高熱流下的壁面冷卻問題，同時充分回收燃燒室產生的高品位熱能，很多研究關注再生冷卻通道內碳氫燃料的裂解換熱過程[15-16]。另外，也有學者提出第三流體冷卻技術，目前進行了相關研究的超燃沖壓發動機第三流體冷卻工質有氦氣、苯、甲苯、超臨界二氧化碳、氦氙混合氣體、氨水和液態金屬等。王娟等[17]采用R22、乙烷及乙醇作為第三流體冷卻劑，對第三流體循環發動機的性能進行了評估，并將其與氫膨脹循環以及燃氣發生器膨脹循環的性能進行了對比研究。結果表明，采用第三流體冷卻循環技術可以提供更高的燃燒室壓力，特別是在選擇乙烷作為第三流體時，發動機的綜合性能表現更為優越。鮑文等[18]則創新性地設計了一種利用氨水作為循環介質的超高速飛行器冷卻系統，該系統的主要目標在于有效解決超燃沖壓發動機在冷卻過程中面臨的燃料消耗量大、熱交換能力不足等關鍵問題。此外，鮑文在另一項研究中[19]還提出了一種基于封閉式布雷頓循環的超燃沖壓發動機熱管理方案，該方案運用了氦氙混合氣體（He-Xe）作為工作介質，以期實現更高效的性能效果。程昆林等[20-21]提出超燃沖壓發動機燃料間接冷卻系統，以液態金屬作為第三流體冷卻發動機壁面，可改善壁面冷卻效果，進一步提高飛行馬赫數。與其他第三流體工質對比，液態金屬導熱系數大，熱響應快，可以承受更高的熱流密度。與再生冷卻的碳氫燃料相比，液態金屬最顯著的優點是冷卻通道無結焦，可以有效保護高溫燃燒室壁面。然而，目前得到液態金屬壁面冷卻效果僅僅是基于一維計算的結果，尚未開展液態金屬在三維壁冷通道內的換熱研究，通過一維計算得到的結論是液態金屬在通道內換熱是有限的，冷卻通道結構對液態金屬換熱過程的影響研究不足，且燃燒室壁面受單面加熱的影響，冷卻通道內流體受熱極不均勻，從非加熱面到被加熱面的垂直方向上存在較大的溫度梯度，形成的不均勻流場會影響能量回收過程。因此，有必要對冷卻通道內換熱過程進行研究，本文提出液態金屬-碳氫燃料雙層冷卻通道，探究雙層冷卻通道的換熱性能，旨在獲得超燃沖壓發動機壁面冷卻通道的優化結構，為改善通道內的熱力分層提供理論基礎。