冲压发动机中燃料/空气换热器设计方法研究

• 作 者: 任峰志
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 换热器 冲压发动机 数值模拟 结构设计

在冲压发动机冷却循环系统中加入燃料/空气换热器,可以解决高速飞行发动机上冷气量不足的问题,把对发动机被动的热防护提升到了发动机热管理的新层面。应用在冲压发动机上的换热器要考虑到空间尺寸、结构重量和空气压降的限制,又要顾及冷却剂本身的特殊物理属性。本文以隔离段内取出的空气参数为基础,进行了热力计算。采用数值模拟的手段进行了结构选型方案对比,得到优选换热器结构方案。依据此方案设计换热器试验件,验证数值模拟的准确性,为换热器在冲压发动机上的应用提供支撑。间冷回热循环发动机是航空发动机一个新的研究热点,其中对间冷器的设计依旧是高效空气/燃料换热器设计问题。首先,本文提出了高速空气/燃料换热器的零维估算方法和三维数值计算方法,介绍了换热器在数值计算中的简化思想,并验证了湍流模型的准确性。介绍了该换热器的设计思想与特殊性。其次,进行了典型结构方案的对比,主要包括空气横向和纵向冲刷换热器方案、换热管顺排和叉排不同的布局方案、每排换热管数目不同方案和不同管间距方案,在方案对比中保证其他核心参数相同。再次,以典型结构方案对比结果为基础,进一步提出几种换热器结构优化方案。在相同换面积下,采用10种不同燃油流量进行计算,得到了燃油流量的最经济范围;提出扁平管换热器比圆管换热器更适合在冲压发动机中应用;对比了横向间距和纵向间距对换热器具体的影响;提出通过外壁添加冷却通道的方式改善纵向冲刷换热器的性能;探讨了换热器应用在更高速空气下的可能性。最后,总结换热器结构的设计因素,得到相应的设计指标。提出换热器的设计流程,并结合地面试验台发动机的冷却需求,搭建换热器试验台,并设计燃料/空气换热器试验件。