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為落實學校《一流研究生人才培養行動計劃》要求，進一步提升博士論文創新基金對德才兼備高層次人才培養的支撐作用，突出“基礎+前沿+交叉”導向，鼓勵和引導廣大研究生圍繞重點領域“卡脖子”問題開展選題研究，研究生院開設“博創微展”專欄，宣傳展示基金項目取得的優秀科研成果，努力營造創新創造的良好氛圍。

與導師謝公南教授合影

標 題：再生冷卻通道內非裂解/裂解工況下超臨界碳氫燃料流動與傳熱特性研究

作 者：李勇

指導教師：謝公南教授

訪學導師：Bengt Sundén教授

培養單位：機電學院、瑞典隆德大學能源科學系

學 科：航空宇航制造工程

讀博寄語：穩扎穩打，樂于其中。感恩之情，溢于言表。不忘初心，砥礪前行。

研究背景

高超聲速飛行器因其隱身性能好、飛行速度快（馬赫5以上）、打擊范圍廣和有效載荷大等優點而成為各軍事強國大力研制的新概念空中作戰平臺，動力裝置的選取至關重要，圖1為火箭發動機、渦噴發動機、亞燃沖壓發動機和超燃沖壓發動機形式及不同燃料作用下的飛行包線，可以發現：氫燃料和碳氫燃料吸氣式發動機的比沖高于非吸氣式的火箭發動機；渦輪渦扇發動機因渦輪葉片的耐溫問題，飛行速度一般低于馬赫3；亞燃沖壓發動機中超聲速氣流通過進氣道被壓縮至亞聲速導致循環效率降低，僅可實現馬赫3-5范圍內的飛行；此外，氫燃料在儲運等方面要求較高，低密度氫燃料會導致結構體積和重量的增加，同時存在“氫脆”現象，碳氫燃料不存在上述缺陷。因此以碳氫燃料為推進劑的超燃沖壓發動機被普遍認為是高超聲速飛行器的理想動力裝置。

圖1航空航天發動機形式及不同燃料作用下的飛行包線

超燃沖壓發動機在高超聲速下飛行，燃燒釋熱和氣動加熱雙重作用使得燃燒室的熱負荷劇增，當馬赫數為6.5時，燃燒室溫度達2800 K；當飛行馬赫數達到8以上時，燃燒室溫度接近4000 K，因此熱防護對超燃沖壓發動機燃燒室安全運行至關重要。采用自身燃料（超臨界態）作為冷卻劑的主動再生冷卻技術被認為是解決燃燒室熱管理的最有效途徑之一。圖2給出了超燃沖壓發動機主動再生冷卻技術示意圖，碳氫燃料經燃油驅動泵加壓處理變為超臨界壓力態，進入燃燒室壁面內微小通道（也稱為再生冷卻通道），通過對流傳熱過程吸收壁面熱量，高溫碳氫燃料泵入燃燒室燃燒，產生推進力。

為了保障噴射、摻混和避免沸騰傳熱惡化的問題，冷卻通道內燃料的驅動壓力很高，一般在3.5-7.0MPa之間，超過了碳氫燃料的臨界壓力（2.0-3.0MPa），因此主動再生冷卻技術實際上采用的是超臨界（壓力）碳氫燃料的對流傳熱過程吸收燃燒室壁面熱量，從而實現超燃沖壓發動機燃燒室安全運行的目的。

圖2超燃沖壓發動機主動再生冷卻技術示意圖

如圖3所示，超臨界正癸烷的熱物性隨著溫度的升高發生劇烈變化，特別是在擬臨界溫度（T_pc= 648.2 K，p_pc= 3.0 MPa）附近；隨著吸熱量的增加，碳氫燃料溫度升高至750 K或770 K左右會發生裂解反應，生成小分子產物，熱物性再次發生改變。以上兩點導致超臨界碳氫燃料在非裂解/裂解工況下對流換熱過程同亞臨界工況下的情形迥異，一般與Dittus-Boelter公式預測方式對比，發現超臨界流體傳熱方式可分為三種情況，即正常傳熱、傳熱強化和傳熱惡化。

圖3單壁面受熱矩形通道內超臨界（壓力）碳氫燃料傳熱惡化現象

為此，作者提出再生冷卻通道內非裂解/裂解工況下超臨界碳氫燃料流動與傳熱特性研究這一內容，旨在深入探究超臨界碳氫燃料在非裂解/裂解工況下的流動傳熱規律，揭示不同飛行姿勢下冷卻通道內發生傳熱惡化機理，分析強化換熱結構中復雜流動換熱現象發生的物理機制，為空天飛行器再生冷卻通道的可靠設計提供理論支撐，同時為其它超臨界流體的流動傳熱研究提供有益借鑒。

主要研究內容

1. 圓形/矩形通道內超臨界碳氫燃料傳熱惡化機理研究

探究了水平流動和豎直向上流動圓形通道內超臨界碳氫燃料傳熱惡化特性及其機理，如圖4所示，研究發現：水平圓形通道內上下壁面溫度呈現非對稱性分布；豎直向上流動圓形通道內超臨界碳氫燃料在近壁面處速度增大，削弱了壁面剪切應力和湍流強度并使得熱邊界層增厚。分析了不同方位矩形通道內重力加速度對超臨界碳氫燃料傳熱的影響規律，如圖4所示，研究發現：豎直向上/向下流動矩形通道內出現類附著點，主流低溫流體無法參與到高溫壁面冷卻過程中；水平流動矩形通道內形成了帶有流動死區的對渦二次流。上述研究成果以第一作者身份發表在“jASME Journal of Energy Resources Technology, 2020, 143, 022105;kInternational Journal of Thermal Sciences, 2021, 168, 107066;lInternational Journal of Energy Research, 2019, 43, 4652-4669;mAIAA Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2021, 10.2514/1.T6408”。并獲得2022年陜西高等學校科學技術獎二等獎（排名第三）。

圖4非裂解條件下超臨界碳氫燃料在圓形和矩形通道內發生傳熱惡化物理機制

2.熱裂解反應對超臨界碳氫燃料流動傳熱特性的影響

總結了超臨界碳氫燃料的替代模型和化學反應動力學機理，采用已公開的PPD (Proportional Product Distribution)一步總體化學反應動力學模型和二十六步化學反應動力學模型，借助廣義對應態方法計算混合物物性，探究了水平流動和豎直向上流動矩形通道內熱裂解反應對流動傳熱性能的影響，如圖5所示。研究發現：裂解反應使得近壁面處密度減小、速度增大，沿程方向未出現持續的熱加速效應，而是發生了速度振蕩，誘導近壁面旋渦，使傳熱得到強化，受熱壁面的溫度降低。上述研究成果以第一作者身份發表在“jInternational Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow, 2021, 10.1108/HFF-08-2021-0579(綜述文章);kChemical Engineering Science, 2021, 244, 116806”。

圖5熱裂解對超臨界碳氫燃料流動傳熱特性的影響

3.流-熱-固耦合作用下超臨界碳氫燃料流動傳熱規律及壁面變形機制

建立了流-熱-固耦合作用下超臨界碳氫燃料非穩態流動傳熱數值模型，探究了壁面變形對流動傳熱的影響規律，分析了流體域內壓力和溫度分布對壁面變形的影響機制，如圖6所示，較大的熱流密度有助于水平矩形通道內超臨界碳氫燃料溫度、速度和壓力分布達到穩定狀態；近加熱面的內壁面溫度最高，但近上壁面流體溫度最高，這是由于主流區低溫流體參與了高溫壁面的換熱過程，吸熱后的流體在浮升力作用下流向上壁面，在上壁面附近形成流動死區；熱流密度為2.0-3.0MW/m²時，固體域受到的等效應力大于0.3×10⁹Pa，最大變形量為0.091-0.132 mm，這主要是由不均勻的溫度分布和振蕩的壓力分布造成的，因此固體域變形及其帶來的安全性問題應該引起足夠重視。上述研究成果以第一作者身份發表在“ASME Journal of Energy Resources Technology, 2022, accepted, in press”。

圖6流-熱-固耦合作用下超臨界碳氫燃料非穩態流動傳熱特性和壁面變形機制

4.超臨界碳氫燃料新型傳熱關聯式的建立

采用量綱分析法提出了預測超臨界碳氫燃料換熱特性的新型主控無量綱因子Qi=q_w·d/(u²·μ)，它是熱量和動量之間的比值，表示每單位驅動力所需的熱量。采用無量綱因子Qi和熱物性修正因子來改進Dittus-Boelter傳熱關聯式，得到了可分別預測超臨界碳氫燃料豎直向上和豎直向下流動傳熱的預測關聯式，如公式(1)和公式(2)所示，預測精度可達80%以上。上述研究成果以第一作者身份發表在“JournalofThermalScience, 2019, 29, 131-143”。

5.強化換熱通道內超臨界碳氫燃料流動傳熱特性

在充分認識傳熱惡化機理的基礎上，將截斷肋通道、雙層通道和套管通道作為超臨界碳氫燃料流動傳熱的載體以克服溫度分層現象，系統研究了超臨界碳氫燃料傳熱性能和流阻特征并揭示了強化傳熱機理，如圖7所示。研究發現：截斷肋通道內渦對的形成消耗了壓力能，導致壓降增大，同時近壁面處湍動能增大，換熱能力增強；截斷肋高度大于粘性底層厚度時，傳熱強化效果顯著，最佳肋間距/肋高比值為12.5-25；當超臨界碳氫燃料在雙層通道內順向流動時，交叉流和浮升力誘導的渦結構被抑制，換熱性能增強；當超臨界碳氫燃料在套管通道內順向流動時，重力誘導的漩流有助于傳熱性能的提升。上述研究成果以第一作者身份發表在“jApplied Thermal Engineering, 2018, 142, 695-708;kApplied Thermal Engineering, 2020, 180, 115695;lInternational Journal of Heat and Mass Transfer, 2021, 167, 120836”。

圖7微小通道內超臨界碳氫燃料強化傳熱研究

6.矩形通道內空氣射流沖擊傳熱特性研究

為了進一步發掘超臨界碳氫燃料的冷卻潛力，提出了射流-再生微肋通道復合冷卻技術，并借助空氣射流沖擊傳熱來驗證此技術的可行性，研究結果如圖8所示，發現：射流參與的傳熱過程中平均努塞爾數和最大努塞爾數分別被提升0.43-16.55倍和5.73-34.42倍，綜合傳熱性能參數Nu/Nu₀/(f/f₀)^1/3被提高1.52-3.33倍，同時采用數值方法揭示了其強化傳熱機理，橫流流量較小時，射流不易發生偏轉，受熱面處溫度邊界層厚度變薄。上述研究成果以合作作者身份（第二作者）發表在“International Journal of Heat and Mass Transfer, 2022, 183, 122206”。

圖8空氣射流沖擊傳熱的實驗和數值研究

主要創新點

基于圓形/矩形通道、水平/豎直流向、非裂解/裂解工況、穩態/非穩態、常規強化/新型強化方法開展了超臨界碳氫燃料流動傳熱特性及其機理研究，存在的創新點如下：

（1）建立了非裂解/裂解條件下超臨界碳氫燃料的流動傳熱數值模型，探究了熱裂解化學反應動力學行為對超臨界流動傳熱的影響規律；

（2）發展了流-熱-固雙向耦合非穩態流動傳熱數值模型，揭示了固體壁面變形機制及對超臨界碳氫燃料流動傳熱的影響規律；

（3）提出了主控無量綱因子，建立了預測不同流向條件下超臨界碳氫燃料傳熱惡化機理的高精度傳熱預測關聯式；

（4）揭示了截斷肋、雙層和套管強化冷卻通道抑制超臨界碳氫燃料傳熱惡化的機理，提出了射流-再生微肋通道復合冷卻技術，實驗驗證了其可行性。