紧凑型换热器换热特性研究

2018年第5期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.5 2018 总第634期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.364

收稿日期：2017-05-30；修回日期：2017-11-21；数字出版时间：2018-01-05；数字出版网址： 基金项目：国家自然科学基金（91441123）

作者简介：杨新垒（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向为组合发动机推进技术

文章编号：1004-7182(2018)05-0040-05 DOI ：10.7654/j.issn.1004-7182.20180509

紧凑型换热器换热特性研究

杨新垒，聂万胜，王 辉

（航天工程大学，北京，101416）

摘要：紧凑型预冷换热器是复合预冷发动机的关键部件，为研究紧凑型预冷换热器的换热特性，提出符合中国现有工业水平的紧凑型预冷换热器。采用数值仿真方法分析了冷流参数、换热管参数及管间距对预冷起换热效果的影响规律，分析了可提高换热效果的改进方向，在此基础上提出了一种新型紧凑型预冷换热器，并对换热效果进行了仿真分析。结果表明：新型预冷换热器单位体积换热面积为1309m 2，单位体积换热功率为355.5MW ，可将质量流量为120kg/s 的空气由1350K 降低至

486K 。

关键词：预冷换热器；换热效果；数值仿真；优化分析 中图分类号：TK124 文献标识码：A

Study on Heat Transfer Characteristics of Compact Heat Exchanger

Yang Xin-lei ，Nie Wan-sheng, Wang Hui

(Space Engineering University ，Beijing, 101416)

Abstract: The compact heat exchanger is the key component of the composite precooling engine, in order to study the heat

transfer characteristics of compact heat exchangers and propose a compact precooling heat exchanger. Numerical simulation is used to study the influence of cold flow parameters, heat transfer tube parameters and tube spacing on heat transfer effect, the improvement direction of enhancing heat exchange effect is summarized, a new type of high efficiency and compact precooling heat exchanger is proposed. The results show that the new precooling heat exchanger has a unit volume heat transfer area of 1309m 2, and a unit volum heat transfer power of 355.5MW. The air with a mass flow rate of 120kg/s can be reduced from 1350K to about 486K.

Key words: precooling exchanger; heat exchange effect; numerical simulation; optimization analysis

0 引 言

近年来，组合发动机的研制与应用越来越受到各国的重视。孙国庆等[1]对国外各种吸气/火箭组合发动机的研制情况及关键技术进行了综述，总结出对组合发动机发展途径的观点；彭小波等[2]通过对常见的

3种组合循环动力技术的特点和发展现状的分析，提出了发展建议；聂万胜等[3]对协同吸气式火箭发动机的发展现状进行了综述，认为其是各类组合发动机中具有较大发展潜力的一种组合发动机。协同吸气式火箭发动机是一种可对来流进行冷却的预冷吸气式发动机，通过对来流进行冷却，可获得理想的压气机进口温度，增大压气机增压比和空气密度，提高发动机推力，扩展飞行包线。高效紧凑预冷换热器是预冷吸气式发动机的关键部件[4]。

高效紧凑预冷换热器具有管径小、管壁薄、功率需求高的特点，因此提高换热效果对于减轻换热器结

构质量，提高发动机性能具有重要的意义。目前开展的研究主要集中在对换热机理的研究，如Xu 等[5]通过实验对微管道内的流动进行了研究；汪元等[6]对微小通道流体单相气态流动换热机理进行了总结。但对于宏观上如何增强微尺度换热器换热效果的研究开展较少。本文在保持热流条件不变的情况下，以换热器后空气平均温度为评价指标，研究了冷流参数、换热管参数及管间距对换热效果的影响规律，旨在寻求提高换热效果的改进方向。在此基础上优化了换热器参数，提出了一种新型布局的圆管换热器，建立了三维换热单元，对换热效果进行了仿真计算。

杨新垒等 紧凑型换热器换热特性研究

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第5期

1 计算模型及数值方法

1.1 控制方程

控制方程采用纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes

equations, N-S ）

来描述[7]，包括质量、动量和能量方程，其通用形式如下：

()

div()div(grad )S t

∂+=+∂U φφρφρφΓφ 式中 φ为通用变量；ρ为流体密度；U 为速度矢量；φΓ为对应于φ的扩散系数；S φ为相应的源项。

1.2 湍流模型

考虑实际的流动换热过程，存在层流转捩为湍流，而湍流又转捩为层流的复杂情况，分别应用Standard k -ε湍流模型和SST k -Ω转捩模型[7]

进行数值仿真计算，得到单管物理模型垂直换热管截面的速度分布云图，如

图1所示。

a ）Standard

k -ε湍流模型

b ）SST k -Ω湍流模型 图1 湍流模型对比

Fig.1 Comparison of Turbulence Model

由图1可知，Standard k -ε湍流模型速度场发散明显，而SST k -Ω转捩模型较好地体现出空气经过冷却

管时一部分层流转捩为湍流，经过冷却管后又有一部分湍流转捩为层流，因此本文选用SST k -Ω转捩模型。 1.3 计算方法

压力-速度耦合采用SIMPLE 算法，压力项采用Standard 格式离散，其余项采用适用于六面体网格的

QUICK 格式。在计算时，先以冷流进行计算，待结果收敛后加入能量方程，再次迭代至结果收敛。

为检验算法的有效性，对圆管内流体的流动换热过程进行了数值仿真，与文献[8]中的实验结果进行对比，如图2所示。

由图2可知，随着测点的后移，测点温度应逐渐

上升，而0.15 m 之后，

实验测得的温度基本不再变化，这是因为实验中水的温度达到了沸点。取0.15 m 以前的实验段结果与仿真结果对比，误差均在

4%以内，可

认为算法具有有效性。

图2 算法验证特性曲线

Fig.2 Proof of Algorithm

2 物理模型及边界条件

2.1 物理模型

以单管为基本换热单元建立物理模型，由理论分析可知，减小管径和壁厚可增强换热效果，但增加了加工和制造的难度。为兼顾换热效果和技术难度，初始参数设置为：管外径为2 mm ，壁厚为0.25 mm ，长

度为450 mm ，

管间距为2倍的管径。同时建立计算域，计算域宽度为26 mm ，厚度为4 mm ，长度为

450 mm ，换热管位于计算域的中心。物理模型如图3所示。

图3 换热单元物理模型示意

Fig.3 Physical Model of Heat Exchange Unit

2.2 边界条件

空气进口边界类型为速度入口边界，出口边界类型为压力出口边界，速度取为70 m/s ，温度取为1350 K ，压强取为0.15 MPa 。选用超临界氦作为冷却流体，进口边界类型为速度入口边界，出口边界类型为压力出口边界，进口速度为45 m/s ，温度为300 K ，压强为10 MPa ，压强较高是为了使氦保持在超临界状态。计算域上下为对称性边界条件，其余外表面为周期性边界条件。换热管材料选用性能优异的铬镍铁合金（标

号为GH4169）

，换热管内外壁面满足无滑移边界条件。 由于超临界氦、换热管及热空气的物理属性随温度变化较大，因此在计算时将其物理属性以变量的形式编成自定义函数输入其中，以提高计算精度。 2.3 网格无关性检验

对物理模型划分结构化网格，对换热管内外壁面