本發(fā)明屬于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，具體涉及一種分區(qū)微肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻通道及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、飛行速度大于5馬赫的高超聲速飛行器具有較高的飛行速度與突防能力，成為當(dāng)前各國(guó)民用和軍事領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。作為高超聲速飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供了足夠的推力以確保飛行器能高速飛行。但是在高馬赫數(shù)飛行下，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室外壁溫度可達(dá)到2500k，遠(yuǎn)超金屬材料耐溫極限，使用燃油冷卻燃燒室壁面的再生冷卻通道系統(tǒng)是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作的前提。再生冷卻通道系統(tǒng)中所使用的微肋結(jié)構(gòu)一方面可以增加流體湍流度，另一方面可以使流體流向微肋結(jié)構(gòu)所在的壁面，能夠有效強(qiáng)化換熱，是提升冷卻通道內(nèi)燃油換熱能力的重要辦法。但是微肋結(jié)構(gòu)另一方面會(huì)引發(fā)一定的壓力損失，目前針對(duì)再生冷卻通道內(nèi)微肋結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)大多沒(méi)有考慮微肋對(duì)流動(dòng)及換熱的綜合影響，難以取得滿意的換熱效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有含微肋結(jié)構(gòu)的再生冷卻通道一般是全通道加肋，存在無(wú)法平衡微肋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱能力以及附加壓力損失的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種分區(qū)微肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻通道及其設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明基于燃料擬臨界溫度區(qū)間的能量守恒分析方法將再生冷卻通道進(jìn)行分區(qū)微肋排布，實(shí)現(xiàn)了低壓力損失下的有效強(qiáng)化換熱。

2、本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供的一種分區(qū)微肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻通道，包括：在再生冷卻通道的超臨界碳?xì)淙剂系陀跀M臨界溫度區(qū)間布置的微肋結(jié)構(gòu)和在再生冷卻通道的超臨界碳?xì)淙剂细哂跀M臨界溫度區(qū)間布置的光滑通道。

4、進(jìn)一步的，所述微肋結(jié)構(gòu)為寬高比為1.2的三棱柱微肋結(jié)構(gòu)。

5、本發(fā)明提供的一種分區(qū)微肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻通道的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

6、步驟s1：模擬僅含有單微肋的一小段通道內(nèi)微肋的強(qiáng)化換熱及壓力損失效果，并選取微肋尺寸；

7、步驟s2：根據(jù)再生冷卻通道熱環(huán)境求解再生冷卻通道擬臨界溫度區(qū)間；

8、步驟s3：基于超臨界碳?xì)淙剂系刃Ф▔罕葻崛莨浪銛M臨界溫度以下的低溫段長(zhǎng)度，在低溫段加微肋，在高溫段不加微肋，得到分區(qū)加微肋通道。

9、進(jìn)一步的，步驟s2中，所述擬臨界溫度區(qū)間的下限tpr1,和上限tpr2)通過(guò)來(lái)定義，ρ為密度，t為溫度。

10、進(jìn)一步的，步驟s2中，所述再生冷卻通道中存在能量守恒方程為：

11、

12、其中，qheated為加熱面的熱流密度，wheated為加熱面的寬度，lrib為待求解的分區(qū)加微肋通道的長(zhǎng)度，為等效定壓比熱容，為質(zhì)量流量，δt為進(jìn)口溫度tin與擬臨界溫度區(qū)間下限tpr1的差值。

13、進(jìn)一步的，步驟s3中，所述超臨界碳?xì)淙剂系刃Ф▔罕葻崛葸x擇擬臨界溫度區(qū)間(tpr1,tpr2)定壓比熱容的算術(shù)平均值，即：

14、

15、其中，cp為定壓比熱容。

16、進(jìn)一步的，步驟s3中，所述分區(qū)加微肋通道長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：

17、

18、其中，qheated為加熱面的熱流密度，wheated為加熱面的寬度，為等效定壓比熱容，為質(zhì)量流量，δt為進(jìn)口溫度tin與擬臨界溫度區(qū)間下限tpr1的差值，d為通道寬度，g為質(zhì)量流速。

19、本發(fā)明的有益效果是：

20、本發(fā)明提供一種分區(qū)微肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻通道及其設(shè)計(jì)方法，能夠在低壓力損失條件下達(dá)到強(qiáng)化換熱需求。本發(fā)明基于超臨界碳?xì)淙剂蠑M臨界溫度區(qū)間的能量守恒分析方法對(duì)再生冷卻通道進(jìn)行分區(qū)，在低溫段布置分區(qū)加微肋通道(寬高比為1.2的三棱柱微肋結(jié)構(gòu))、在高溫段布置光滑管道的冷卻通道結(jié)構(gòu)，可以有效地降低換熱惡化程度并降低附加流動(dòng)阻力，實(shí)現(xiàn)更加滿意的強(qiáng)化換熱效果。

技術(shù)特征：

1.一種分區(qū)微肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻通道，其特征在于，包括：在再生冷卻通道的超臨界碳?xì)淙剂系陀跀M臨界溫度區(qū)間布置的微肋結(jié)構(gòu)和在再生冷卻通道的超臨界碳?xì)淙剂细哂跀M臨界溫度區(qū)間布置的光滑通道。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分區(qū)微肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻通道，其特征在于，所述微肋結(jié)構(gòu)為寬高比為1.2的三棱柱微肋結(jié)構(gòu)。

3.如權(quán)利要求1或2所述的一種分區(qū)微肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻通道的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種分區(qū)微肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻通道的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟s2中，所述擬臨界溫度區(qū)間的下限tpr1,和上限tpr2)通過(guò)來(lái)定義，ρ為密度，t為溫度。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種分區(qū)微肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻通道的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟s2中，所述再生冷卻通道中存在能量守恒方程為：

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種分區(qū)微肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻通道的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟s3中，所述超臨界碳?xì)淙剂系刃Ф▔罕葻崛葸x擇擬臨界溫度區(qū)間(tpr1,tpr2)定壓比熱容的算術(shù)平均值，即：

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種分區(qū)微肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻通道的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟s3中，所述分區(qū)加微肋通道長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：

技術(shù)總結(jié)
一種分區(qū)微肋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的冷卻通道及其設(shè)計(jì)方法，屬于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，該冷卻通道包括在再生冷卻通道的超臨界碳?xì)淙剂系陀跀M臨界溫度區(qū)間布置的微肋結(jié)構(gòu)和在再生冷卻通道的超臨界碳?xì)淙剂细哂跀M臨界溫度區(qū)間布置的光滑通道。其設(shè)計(jì)方法為：模擬僅含有單微肋的一小段通道內(nèi)微肋的強(qiáng)化換熱及壓力損失效果并選取微肋尺寸；根據(jù)再生冷卻通道熱環(huán)境求解再生冷卻通道擬臨界溫度區(qū)間；基于超臨界碳?xì)淙剂系刃Ф▔罕葻崛莨浪銛M臨界溫度以下的低溫段長(zhǎng)度，在低溫段加微肋，在高溫段不加微肋，得到分區(qū)加微肋通道。本發(fā)明基于燃料擬臨界溫度區(qū)間的能量守恒分析方法將再生冷卻通道進(jìn)行分區(qū)微肋排布，實(shí)現(xiàn)了低壓力損失下的有效強(qiáng)化換熱。

技術(shù)研發(fā)人員：朱劍琴,程澤源,吳永康,趙超凡
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天目山實(shí)驗(yàn)室
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17