高超声速飞行器布雷顿循环PCHE中CO2换热特性数值研究.pdf
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1、第6 3卷第4期20 2 3年7月大 连 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o fD a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yV o l.6 3,N o.4J u l y 2 0 2 3文章编号:1 0 0 0-8 6 0 8(2 0 2 3)0 4-0 3 6 7-1 0高超声速飞行器布雷顿循环P C H E中C O2换热特性数值研究王 彦 红*1,孙 文 清1,东 明2,李 素 芬2,李 洪 伟1(1.东北电力大学 能源与动力工程学院,吉林 吉林 1 3 2 0 1 2;2.大连理工大学 能源与动力学院,辽宁 大连
2、 1 1 6 0 2 4)摘要:基于高超声速飞行器布雷顿循环中印刷电路板换热器(P CHE)的应用,对P CHE通道中的超临界换热进行了数值研究.阐述了热侧运行参数和冷侧运行参数对换热的影响机制.考察了热侧流体温度、流线和湍动能的分布情况.评价了热侧流、壁面流和通道综合换热系数,建立了热侧换热关联式.计算结果表明:热侧压力提高、热侧进口温度下降、冷侧进口温度减小,均导致热侧换热增强.局部高湍动能是强化换热的原因.提高热侧参数可使通道的耗散性更小.关键词:印刷电路板换热器(P CHE);超临界压力;二氧化碳;换热;流中图分类号:V 2 3 3.5文献标识码:Ad o i:1 0.7 5 1 1/
3、d l l g x b 2 0 2 3 0 4 0 0 6收稿日期:2 0 2 2-0 5-1 0;修回日期:2 0 2 3-0 6-0 1.基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 5 7 6 0 2 7);吉林省教育厅科技项目(J J KH 2 0 2 2 0 1 0 0 K J).作者简介:王彦红*(1 9 8 3),男,博士,副教授,E-m a i l:w a n g y h.5 2 61 6 3.c o m.0 引 言超燃冲压发动机再生冷却通道内吸热型碳氢燃料的结焦积碳会造成通道阻塞甚至燃烧室壁面烧穿.为了解决该问题,引入一种不结焦积碳的第三流体(超临界二氧化碳,即S-C O2)作
4、为通道内的冷却工质,随后进入闭式布雷顿循环,循环中设置一个印刷电路板换热器(P CHE),换热器中利用碳氢燃料对高温S-C O2进行冷却后喷射到燃烧室1-2.P CHE中S-C O2的变热物性换热特性和换热器性能值得重视.P CHE常见通道结构包括直通道3-4、Z型通道5-6、S型通道7和翼型通道8-9,着重关注通道内超临界压力流体的换热性能和换热器的优化设计问题1 0-1 1.Z h a n g等1 2探究了浮升力对3种通道布置方式下冷侧S-C O2和热侧S-C O2换热的影响,通过火积热阻阐述了局部传热恶化的原因,当S e/R e高 于0.1时,浮升力发 挥 作 用.J i a n g等1
5、 3建立P CHE换热和水动力模型,通过换热系数和摩擦阻力系数评估,提出了金属用量最少性能最优的P CHE.C h u等1 4发现P CHE中S-C O2比水具有更好的换热性能,高压力条件下换热和流阻的综合性能增强,跨临界时综合换热性能会显著下降.L i a n等1 5提出S-C O2侧使用化学蚀刻通道、水侧使用板翅通道的混合P CHE,新型通道流动换热相比传统通道更为有利.徐哲等1 6认为换热器中热阻占比依次为S-C O2侧对流换热热阻、导热热阻、水侧对流换热热阻,提高热侧雷诺数可以减小S-C O2侧对流换热热阻.刘生晖等1 7提出热侧S-C O2流量增加造成换热器换热功率提高和换热效能下降
6、,换热能力取决于冷侧S-C O2和热侧S-C O2的温差情况.范世望等1 8模拟了换热器中S-C O2的稳态和瞬态流固耦合传热过程,讨论了稳态的不均匀换热强度和瞬态换热的风险状况.但已有研究较少报道高超声速飞行器布雷顿循环P CHE中S-C O2和碳氢燃料的换热情况.本文 对 冷 侧R P-3燃 料、热 侧S-C O2的P CHE通道流动换热状况开展数值研究,探究热侧和冷侧运行参数对S-C O2换热的影响机制,讨论S-C O2轴向和周向换热机理,通过火积参数和综合换热系数评价换热通道性能,建立S-C O2换热关联式,为高超声速飞行器布雷顿循环P CHE设计提供理论基础.1 数值方法1.1 P
7、C H E模型图1给出了水平P CHE通道示意图.通道宽为2.7mm,高为3.6mm,长为5 0 0mm.冷侧和热侧的流体截面均为半圆,直径为1.8mm,厚度为0.4 5mm,两半圆间距为1.8mm.冷侧为R P-3燃料,热侧为S-C O2,热侧流动方向不变;改变冷侧流动方向,分为顺流(p a r a l l e l f l o w,简写为P F)和逆流(c o u n t e r f l o w,简写为C F)两种情况.g为重力加速度.冷热流体进口均为质量流速边界,给定进口温度,出口均为静压边界.流固之间为耦合界面,通道外表面均为绝热边界.(a)模型(b)网格图1 P CHE的模型和网格F
8、i g.1 M o d e l a n dm e s ho fP CHE通道冷热流体两侧的网格划分方案相同,壁面附近进行了网格加密.表1给出了5种网格方案下热侧S-C O2出口温度To u t和出口流速uo u t的计算结果.通过网格无关性验证确定P CHE通道的网格方案,即横截面的网格数量为38 0 0,长度方向网格数量为5 0 0,如图1所示.表1 网格无关性分析T a b.1 M e s h i n d e p e n d e n c ea n a l y s i s网格方案To u t/Kuo u t/(ms-1)P FC FP FC F38 0 03 0 03 2 3.8 23 1
9、7.7 64.0 83.9 438 0 05 0 03 2 5.5 93 1 9.3 84.7 44.2 538 0 08 0 03 2 5.6 03 1 9.8 64.7 84.2 928 4 05 0 03 2 3.9 43 1 7.8 44.1 23.9 848 2 05 0 03 2 5.6 23 1 9.4 24.7 64.2 71.2 数学模型流体域求解连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程,固体域求解热传导方程,具体形式见文献1 9.湍流计算选取S S Tk-湍流模型,如下所示:(uik)xi=xj +tk kxj+Gk-Yk(1)(ui)xi=xj +t xj+G-Y+D(2)
10、式中:为密度,u为流速,k为湍动能,为比耗散率.控制方程和湍流模型其他变量的定义详见文献1 9.控制方程通过F l u e n t求解,求解过程设置与文献1 9 相同.1.3 热物性数据图2给出了S-C O2(临界压力7.3 8 MP a、临界温度3 0 3K)密度、比定压热容cp、热导率、动力黏度随温度的变化情况1 2.可以看到,随着压力提高,S-C O2热物性变化趋缓.R P-3燃料热物性数据取自文献2 0.两种流体热物性数据通过分段线性形式导入F l u e n t.固壁不锈钢热导率设定为2 0W/(mK).(a)密度和比定压热容(b)热导率和动力黏度图2 S-C O2热物性随温度的变化
11、情况F i g.2 T h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e sv a r i a t i o n so fS-C O2w i t ht e m p e r a t u r e1.4 模型验证基于文献1 4 的P CHE通道进行湍流模型863大连理工大学学报第6 3卷 验证,冷侧流体为水,热侧流体为S-C O2,冷热流体逆向流动.通道宽为4.0mm,高为5.2mm,长为1 5 0 mm.两 流 体 截 面 均 为 半 圆 形,直 径 为2.8mm,厚度为0.8mm,两半圆间距为0.8mm.图3给出3种压力下S-C O2平均努塞尔数N u随雷诺数R
12、 e的变化情况,运行参数见文献1 4.可以看到,模拟值和实验值符合良好,两者偏差落在3.5%范围内,说明湍流模型有效,可以用于本文换热数值研究.图3 N u随R e的变化情况F i g.3 V a r i a t i o n so fN uw i t hR e2 数值结果与分析2.1 热侧参数的影响首先考察热侧压力对换热的影响机制.热侧参数:Th,i=4 0 0K,Gh=10 0 0k g/(m2s),ph=8 1 0M P a.冷侧参数:Tc,i=3 0 0K,Gc=30 0 0k g/(m2s),pc=3 MP a.图4给出热侧周向平均壁温Tw,i和平均换热系数h随l(以热侧进口为起点的局
13、部长度)的变化情况.换热系数的计算公式为h=qw,i/(Tw,i-Tb),qw,i为内壁热流密度,Tb为主流温 度.可 以 看 到,受 冷 侧 流 体 冷 却 作 用,沿S-C O2流动方向热侧壁温逐渐减小,换热系数则不断增大.随着压力提高,通道壁温增大,换热系数升高,说明提高压力起到了强化换热作用.这是因为压力提高致使S-C O2热导率增大,热侧对流换热热阻减小,换热增强.高温区顺流的壁温低,换热系数大,顺流换热效果优于逆流;低温区逆流的壁温低,换热系数大,逆流换热效果优于顺流.图5给出了不同热侧压力下壁温和换热系数的周向分布情况,s为平直段局部位置,为半圆壁面的周向角,取l=0.2 5m位
14、置.可以看到,平直段壁温基本不变,半圆段壁温显著高于平直段,(a)Tw,i (b)h图4 不同热侧压力下Tw,i和h随l的变化情况F i g.4 Tw,ia n dhv a r i a t i o n sw i t hla td i f f e r e n th o t-s i d ep r e s s u r e s (a)Tw,i (b)h图5 不同热侧压力下Tw,i和h的周向分布情况F i g.5 Tw,ia n dhc i r c u m f e r e n t i a l d i s t r i b u t i o n sa td i f f e r e n th o t-s i d
15、 ep r e s s u r e s963 第4期 王彦红等:高超声速飞行器布雷顿循环P CHE中C O2换热特性数值研究随着周向角增大,壁温先升高后降低,峰值出现在9 0 位置.换热系数在平直段和半圆段均先急剧增大后陡然减小,中间位置强化换热最显著.随着热侧压力提高,壁温增大,逆流时换热系数增大,而顺流时换热系数减小,该位置逆流的换热效果明显强于顺流的情况.图6给出了流体截面湍动能的分布情况,取l=0.2 5m位置.由图可以看到,平直段中部和半圆段中部近壁面流体湍动能大,湍流强度高,湍流换热强;而夹角处湍动能小,湍流强度低,湍流换热弱.这是周向换热系数非均匀的原因.8MP a9MP a1
16、0MP a(a)逆流8MP a9MP a1 0MP a(b)顺流图6 不同热侧压力下湍动能的分布情况F i g.6 T u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yd i s t r i b u t i o n sa td i f f e r e n th o t-s i d ep r e s s u r e s图7给出了流体截面温度和流线的分布情况,取l=0.2 5m位置.由图可以看到,热侧流体中心温度高,壁面附近流体温度低,通道壁面附近流体温度周向分布不均匀,平直段近壁流体温度低密度大,而半圆段近壁流体温度高密度小,高密度流体沿壁面从平直段流向半圆段底部,
17、出现了轻微的二次流问题,说明通道换热状况主要受热物性影响.通常超临界压力流体的换热还受浮升力和热加速的影响.通过浮升力参数G rb/R e和热加速参数Kv考察浮升力和热加速对热侧换热的影响,其表达式如下:8MP a9MP a1 0MP a(a)逆流8MP a9MP a1 0MP a(b)顺流图7 不同热侧压力下温度和流线的分布情况F i g.7 T e m p e r a t u r ea n ds t r e a m l i n ed i s t r i b u t i o n sa td i f f e r e n th o t-s i d ep r e s s u r e s浮升力参数:
18、G rbR e=g d3b(b-w)R e 2b(3)式中:G rb为格拉晓夫数,R e为雷诺数,d为水力直径,下标b和w分别表示主流和壁面.研究表明,当G rb/R e1 0-3时,浮升力影响不可忽略2 1.热加速参数:Kv=4qw,iG cp,bR e(4)式中:为热膨胀系数.研究表明,当Kv31 0-6时,热加速影响不可忽略2 2.图8给出了热侧G rb/R e和Kv沿流动方向的变化 情况.由图可 以看到,浮升 力参数G rb/R e 1 0-3,热加速参数Kv31 0-6,说明浮升力和热加速对热侧换热的影响可以忽略.通过热流体火积流 与壁面火积流 的 分 配 评 估P CHE通道的火积
19、耗散率1 1.其 中,热流体火积流Gh=(0.5m h T)h,壁面火积流Gq=(q T A)w,m为质量流量,h为热力学焓,A为换热面积.图9为不同热侧压力下Gq和Gh沿流动方向的变化情况.由图可以看到,Gq和Gh沿流动方向均减小.随着热侧压力提高,Gq增大,Gh减小.高温区顺流的Gq高于逆流,而低温区逆流的Gq高于顺流.高温区073大连理工大学学报第6 3卷 (a)G rb/R e (b)Kv图8 不同热侧压力下G rb/R e和Kv随l的变化情况F i g.8 G rb/R ea n dKvv a r i a t i o n sw i t hla td i f f e r e n th
20、o t-s i d ep r e s s u r e s (a)Gq (b)Gh图9 不同热侧压力下Gq和Gh随l的变化情况F i g.9 Gqa n dGhv a r i a t i o n sw i t hla td i f f e r e n th o t-s i d ep r e s s u r e s不同流向的Gh相近,低温区顺流的Gh高于逆流.采用余弦值评价热流体火积流和壁面火积流的匹配性,余弦值越大,两者的匹配性越好,通道的火积耗散率越小1 1.=a r c c o s Gh*Gqm lGhFGqF(5)式中:m l表示矩阵对应元素的乘积之和,F表示平方根号下矩阵元素的平方和.表
21、2为不同热侧压力下和c o s的数据.可以看到,随着热侧压力提高,逆流和顺流的c o s均增大,致使通道火积耗散率下降.逆流时c o s大于顺流情况,通道火积耗散率更小,换热效果更好.表2 不同热侧压力下和c o sT a b.2 a n dc o sa td i f f e r e n th o t-s i d ep r e s s u r e sph/MP a/()c o sC FP FC FP F89.2 22 2.2 30.9 8 70.9 2 695.3 31 8.0 20.9 9 60.9 5 11 03.1 11 6.9 50.9 9 80.9 5 6另外,通 过 冷 热 流 体
22、 综 合 换 热 指 标 评 价P CHE通道的换热性能3.这些换热指标如下:热侧放热量:Qh=mhcp,h(Th,i-Th,o)(6)冷侧吸热量:Qc=mccp,c(Tc,i-Tc,o)(7)对数平均温差:Tl m t d=(Th,i-Tc,o)-(Th,o-Tc,i)l nTh,i-Tc,oTh,o-Tc,i(8)平均换热率:U=QmTl m t d=Qh+Qc2 Tl m t d(9)表3给出了不同热侧压力下P CHE的换热指标 情 况.可 以 看 到,逆 流 时 不 同 热 侧 压 力 下Tl m t d都约为4 4K,顺流时则为3 9K,逆流的综合换热性能更好.随着热侧压力提高,平均
23、换热量Qm和平均换热率U增 大,说明提高 热侧压力P CHE通道具有更优的综合换热性能.接着讨论热侧进口温度对S-C O2换热和通道综合换热性能的影响机制,图1 0给出热侧Tw,i和h随l的 变 化 情 况.热 侧 参 数:Th,i=4 5 05 5 0K,Gh=10 0 0k g/(m2s),ph=8MP a.由图173 第4期 王彦红等:高超声速飞行器布雷顿循环P CHE中C O2换热特性数值研究 表3 不同热侧压力下换热指标T a b.3 H e a t t r a n s f e r i n d e x e sa td i f f e r e n th o t-s i d ep r e
24、 s s u r e s流向ph/MP aQh/WQc/WTl m t d/KU/(WK-1)C F82 2 11 6 64 3.6 14.4 492 7 01 8 24 4.2 55.1 21 02 9 21 9 14 3.9 95.4 9P F81 6 61 4 03 8.5 43.9 791 8 91 5 03 8.8 24.3 81 02 1 11 6 13 9.0 34.7 7 (a)Tw,i (b)h图1 0 不同热侧进口温度下Tw,i和h随l的变化情况F i g.1 0 Tw,ia n dhv a r i a t i o n sw i t hla td i f f e r e n
25、 th o t-s i d ei n l e t t e m p e r a t u r e s可以看到,随着热侧进口温度提高,壁温增大,换热系数减小,高进口温度弱化了换热作用.这是因为进口温度为4 5 0K时,近壁面流体温度接近拟临界点,热导率高,热侧对流换热热阻小,换热效果较好.随着热侧进口温度提高,近壁面流体远离拟临界点,热导率较小,热侧对流换热热阻较大,换热效果减弱.同时,热侧进口温度提高致使逆流和顺流之间的换热效果差别增大,这是高进口温度下流速增大的结果.图1 1给出不同热侧进口温度下Gq和Gh沿流动方向的变化情况.可以看到,随着热侧进口温度提高,Gq和Gh均增大,两种流动方式下热流
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