超临界二氧化碳在单侧加热矩形通道中的对流传热性能

《The Journal of Supercritical Fluids》：Performance of convective heat transfer of supercritical CO 2 in unilaterally heated rectangular channel

超临界二氧化碳再生冷却通道在高温侧向加热下的热传递特性与优化研究，通过数值模拟分析热流、质量流率、压力及加热位置对流动与传热的影响，揭示壁温峰值随热流增加和压力/质量流率降低而加剧的规律，发现入口温度高于伪临界温度可有效缓解热传递恶化（HTD），温度不均匀系数能有效预测通道热沉性能，湍动能主导边界层传热，摩擦损失占压降主导，提出正弦波纹通道结构优化方案。

　　

尚茂|张胜利|吴学宏|刘勇|张雷刚|吕彩|周涛|唐松珍

郑州轻工业大学能源与动力工程学院，中国450002

摘要

利用超临界二氧化碳（sCO₂）冷却航空发动机燃烧室可以有效缓解高超音速飞行器中的碳氢燃料结渣问题。然而，关于在高热流单向加热条件下再生冷却通道中sCO₂的传热性能优化研究仍然有限。本文通过数值方法研究了热流、质量流、工作压力和加热位置对流动动力学和传热的影响。结果表明，壁温（T_w）峰值随着热流的增加和压力及质量流的减小而加剧。通过将入口温度提高到伪临界温度T_inT_pc以上，可以减轻传热恶化（HTD）现象。此外，温度不均匀系数是预测再生冷却通道散热性能的有效指标，较低的系数表示更高的散热效率。分析显示，边界层内的湍流动能是控制传热性能的主要因素。摩擦损失占总压降的约1/4，加速损失也占了一定比例。对比实验表明，顶部加热会导致最高的壁温T_w，而侧面加热则会引起最大的压降。最后，提出了一种正弦波形通道，其振幅A=0.2毫米、周期p=4毫米，这种通道在各种加热位置下均表现出最佳的流动和传热性能。

引言

作为高超音速飞行器的关键推进系统，超燃冲压发动机面临极端的热环境，这对热管理提出了严峻挑战。再生冷却技术因其高效性[1]、[2]而成为解决热防护问题的重要方法。该技术将燃料预热与发动机冷却结合，实现能源的有效利用。具体而言，再生冷却利用燃料在预热过程中冷却发动机，从而有效利用发动机的废热。

Quan等人[3]对再生冷却通道中正癸烷的传热进行了实验和数值研究。他们的研究发现，不对称加热主要影响壁面导热，而对对流传热的影响相对较小。此外，局部努塞尔数（Nusselt number）对质量流的变化比热流更敏感。Yu等人[4]数值研究了超临界RP-3燃料在倾斜通道中的传热特性，发现矩形通道中存在显著的热分层现象。平均传热系数（HTC）起初随热流增加而降低，随后随着倾斜角度的减小而增加。然而，碳氢燃料在冷却通道中加热后容易发生裂解反应和结渣，生成的渣体会附着在通道壁上，阻碍燃料与壁面之间的热传递，可能严重阻塞通道并影响发动机的安全运行[5]、[6]、[7]。

为了解决结渣问题，采用替代流体冷却超燃冲压发动机是一个有效的解决方案。超临界二氧化碳（sCO₂作为一种高效的能量转换工作流体，因其优异的热效率和紧凑的结构而受到研究人员的关注[8]。Zhou等人[9]提出了一种用于超燃冲压发动机sCO₂布雷顿循环再生冷却的热防护策略。在该循环中，sCO₂吸收燃烧室释放的热量，从而预热注入燃烧室的燃料。sCO₂作为中间流体，起到了再生冷却的作用。sCO₂在再生冷却通道中的传热性能对发动机冷却至关重要。一些研究人员对sCO₂的流动传热行为进行了研究。在我们之前的工作[10]中，我们研究了sCO₂在水平通道中的传热特性，发现顶部区域的传热恶化（HTD）现象较为严重。Yan等人[11]在均匀热流条件下数值研究了sCO₂在水平管中的流动特性，发现传热与壁面导热密切相关，阐明了HTD的机制。Zhang等人[12]研究了半圆形加热垂直管中sCO₂的对流传热特性，发现气体膜的形成是控制壁温变化和引起HTD的关键因素。Du等人[13]提出了一个基于实验数据验证的变普朗特数（Prandtl number）模型，该模型能够预测HTD的发生。然而，上述研究主要集中在圆形通道和小热流条件下，这与超燃冲压发动机燃烧室的实际情况有很大差异。

开展关于sCO₂在再生冷却通道中的流动和传热研究对于推动其在超燃冲压发动机冷却中的应用至关重要。Zhou等人[14]研究了sCO₂在矩形通道中的传热行为，并优化了通道的纵横比。他们的研究发现，局部湍流和剪切衰减是影响HTD的主要因素，确定了矩形通道的最佳纵横比为0.8。在后续研究中，Zhou等人[15]使用碳氢燃料和sCO₂对之字形印刷电路板换热器的传热进行了数值分析，阐明了传热增强机制。Yang等人[16]数值研究了加热位置对传热性能的影响，发现传热性能随压力的增加而提高。Liu等人[17]对装有针状鳍片的再生冷却通道进行了数值研究，报告称传热增强效果最高可达1.84。在另一项研究中，Liu等人[18]定量评估了使用sCO₂作为冷却剂的再生冷却通道的传热性能，发现高热流条件下HTD现象明显。Niu等人[19]研究了sCO₂在再生通道中的传热机制，发现不均匀的热流可以抑制HTD现象。

矩形通道和单向加热是再生冷却通道的典型特征，且这种通道具有较高的热流密度。然而，现有关于sCO₂在矩形通道中传热的研究主要集中在低热流条件下。在高热流条件下的流动动力学、传热和HTD机制的研究仍然较少。本研究旨在探讨高热流条件下单向加热时sCO₂在矩形通道中的流动和传热行为。首先，定量分析了操作参数对sCO₂流动和传热的影响；其次，揭示了热分层现象并阐明了HTD的机制；最后，比较了不同加热位置的性能，并引入了正弦波形通道设计以优化再生冷却通道。研究结果有望为使用sCO₂作为冷却剂的发动机再生冷却通道的设计和优化提供参考。

模型描述

如图1所示，再生冷却通道由多个矩形通道组成，这些通道受到燃烧室的单向加热。为便于分析，这些冷却通道被简化为矩形形状。选择了位于顶部、侧面和底部的矩形冷却通道来研究不同加热位置的影响。每个通道的横截面尺寸为2毫米×2毫米，壁厚为0.5毫米。加热区域长度为500毫米。

网格收敛性验证

结构网格使用ICEM软件生成，如图3所示。在固液界面处生成了足够细密的网格（y⁺<1），以准确求解流动和温度场。由于计算精度与网格质量密切相关，因此验证网格的独立性至关重要。选择边界条件T_in=300 K、P=8 MPa、G=400 kg/(m²·s）以及底部加热强度q=0.6 MW/m²来验证网格的独立性。同时测量了体积温度（T_b）和对流传热情况。

热流的影响

热流受到发动机工作条件的显著影响。以底部加热为例，分析了四种不同的热流强度对其传热性能的影响。图5展示了T_w和HTC的变化情况。从图5(a)可以看出，T_w受到热流的显著影响，其变化趋势复杂：最初迅速升高达到峰值，然后下降，最后逐渐增加。

结论

本研究探讨了单向加热矩形通道中sCO₂的流动和传热行为。基于数值模拟，分析了sCO₂在再生冷却通道中的热工水力特性，并提出了波浪形通道以减轻HTD现象。主要研究结果如下：

(1)

随着热流的增加和压力及质量流的减小，T_w峰值变得更加明显。当T_in位于T_pc范围内时，T_w峰值随T_in的增加而升高；而当T_in超过T_pc时，T_w峰值则下降。

CRediT作者贡献声明

张胜利：撰写——审稿与编辑、方法论、实验设计、数据整理。尚茂：撰写——初稿撰写、方法论、实验设计、资金申请、数据分析、概念构建。唐松珍：方法论、数据分析。周涛：撰写——审稿与编辑、数据分析、概念构建。吕彩：撰写——审稿与编辑、方法论、数据分析。张雷刚：撰写——审稿与编辑、方法论、数据整理、概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了CPSF博士后奖学金计划（项目编号GZC20250611）、河南省高等教育厅重点研究项目（项目编号26A470017）、河南省重点研发计划（项目编号241111320900）、河南省科技计划（项目编号252102241001）以及郑州轻工业大学博士研究基金（项目编号NYY20250018）的财政支持。最后，我要衷心感谢我的妻子。