SABRE预冷器计算模型及其在整机模型中的应用

预冷器的性能对SABRE等预冷组合循环发动机具有重要影响,为实现发动机方案设计阶段预冷器的快速设计与评估,建立了预冷器准二维快速评估模型。将SABRE预冷器的几何结构简化为一个扇环形区域,沿径向和周向将该区域划分为二维节点。应用守恒方程及传热关联式完成单个节点计算,再求解节点矩阵的平衡方程组,计算内外流体特定节点上参数的二维分布,得到预冷器出口参数。将模型嵌入发动机总体性能程序中,实现了发动机设计及非设计点的预冷器性能计算的功能。与文献数据对比结果表明,预冷器模型传热计算误差小于5%,摩擦阻力误差小于10%。整机计算结果显示,Ma0~5范围内,预冷器空气侧温降范围为143K至932K,温降随飞行马赫数升高单调上升。预冷器传热有效度范围为0.896-0.945,空气侧总压恢复系数范围为0.852-0.904。     

民用飞机预冷器设计点选取方法研究

预冷器是民用飞机气源系统温度调节的重要部件,若发生超温将导致系统自动关闭,影响下游机翼防冰系统和空调等系统用气需求,对飞机安全性有重要影响,因此研究预冷器设计点满足温度调节需求对气源系统设计有着重要意义。首先分析了预冷器换热性能影响关系,进而对其性能影响因素进行分析,主要包括环境条件信息,飞机状态信息,气源系统引气构型。然后根据经验公式对某机型不同工况条件下预冷器换热功率因子进行计算。计算结果表明在严酷引气构型双发单引气条件下,极热天巡航或待机状态下,低高度、低马赫数、低重量条件为预冷器设计点。通过计算严酷工况下预冷器热边出口温度,对预冷器设计点进行校核,计算结果表明预冷器热边出口温度均满足预冷器预期温度,说明预冷器设计点选取满足设计需求。     

Zukauskas关系式用于微细管式预冷器适用性的评价与分析

为研究Zukauskas关联式在计算微细换热管束管外换热特性上的适用性,本文利用数值分析方法,在分析空气横掠微细管束换热特性基础上,发现空气横掠管束入口几排换热管的换热尤为强烈,温降过程沿着流动方向呈现由急变缓的特点,剧烈的温度变化造成Zukauskas关联式按照一般均物性方法计算时,计算结果偏高27%以上;对比分析可知,过于剧烈的温度变化使基于换热管束整体给出的对数平均温差作为平均换热温差的处理方法不再适用;根据空气温度变化的特点,按照流动方向将换热区域分成若干部分,再分别利用Zukauskas关联式计算,预测精度得到了极大改善,当换热区域划分成12部分时,平均计算偏差降为了5.8%,鉴于此,在计算骤冷条件下气体横掠管束换热特性时,建议采用适当的分区方法进行计算。     

逆流管翅式空气预冷器及其流动换热计算方法

空气预冷器用于在短时间内将高温来流空气高效冷却，是预冷吸气式空天发动机的核心部件。提出一种逆流管翅式的空气预冷器换热构型，经过与SABRE预冷器构型的比较，说明该新构型的预冷器可实现性更好。针对该构型，基于换热单元内部热通量平衡的基本假设，提出了一套流动及冷却效果的计算评估方法，考虑了冷却剂以及空气的流动摩擦损失。为解决以复杂碳氢燃料为冷却工质的空气预冷器设计难题，高温空气物性的计算使用NASA的物性拟合公式，碳氢燃料冷却工质及其裂解产物的物性计算，采用组分替代模型结合SUPERTRAPP物性计算子程序来实现；当燃料达到裂解温度后，采用燃料裂解机理计算更新燃料组分。此外为验证计算模型及程序的准确性，利用CFD软件与该程序进行同工况的比较计算，初步验证了该方法的可靠性，且采用本方法进行考虑碳氢燃料裂解的空气预冷器的典型工况计算，时间不超过30min。这一兼顾准确性和运算效率的新方法可用于逆流管翅式空气预冷器性能的快速评估。     

SABRE预冷器结构参数对其性能影响的数值分析

预冷器作为SABRE系统中的核心部件之一,其性能决定了SABRE空气预冷效果。本文利用数值分析方法研究了预冷器外形几何参数和传热管排管紧凑度对其流动和换热特性的影响,结果表明,在工作热工参数范围内,两者对预冷器换热特性影响较小,换热功率相对变化小于7.2%,但对壳侧空气流动阻力影响很大,阻力压降最大可增加2倍以上;减小预冷器轴向高度、增加径向尺寸均有利于提高预冷器的综合性能;通过适当调整传热管束的排管紧凑程度,使预冷器的壳侧空气流动阻力压降满足设计要求。     

无水甲醇质量比对紧凑型预冷器的结霜和抑霜性能的影响

在主流来流的速度值、湿度值和温度值分别为10 m/s、6.4 g/kg和50℃的实验条件下，对微管式紧凑型预冷器的结霜和抑霜性能进行了实验研究。在抑霜实验工况中，采用无水甲醇作为抑霜的有机溶剂，且在抑霜实验过程中喷射了三个不同质量比（0.75、1.0和1.25）的无水甲醇对预冷器进行抑霜。对不同实验工况的结霜和抑霜性能、压力损失系数、预冷器管束的壁面温度和预冷器的换热率进行了详细地分析。实验结果表明，在进行结霜实验时，当低温冷却剂流经预冷器的微细管束内部时，在预冷器的外侧会快速地凝结霜层，且霜层随着实验时间的增长而逐渐累积。然而，一旦向主流来流中喷射了三个不同质量比的无水甲醇之后，会产生非常明显的抑霜效果，主流的压力损失系数显著下降且预冷器的换热率明显提高。此外，预冷器微细管束的壁面温度也显著的增大了，其壁面温度均高于水的冰点，这是喷射无水甲醇能够产生抑霜效果的直接原因。在向主流喷射三个不同质量比的无水甲醇的抑霜实验中，当喷射的无水甲醇的质量比为1.0时的抑霜效果最佳。此外，根据对抑霜实验结果进行分析，可以进一步地推测：实现最优抑霜性能的最佳无水甲醇质量比可能介于1.0～1.25之间。     

甲烷预冷器性能及与压气机参数匹配研究

以甲烷为冷却剂的预冷型涡轮基组合发动机以其较高的冷却性能和密度比冲等优点,成为未来宽速域飞行器动力装备问题的重要研究方向。针对该型发动机的核心部件——预冷器,建立理论计算模型对其综合性能进行了评估,并提出了一种熵函数分析法,对预冷器与压气机工作参数匹配特性开展理论分析。计算结果表明,所提出的预冷器方案换热有效度在0.5~0.72,功重比达到250kW/kg;甲烷预冷措施能将涡轮发动机工作速域扩展至Ma=3.1,此状态来流空气最高被冷却180K。对预冷器和压气机整体结构,“单位比热的比熵”与冷却剂当量比和压气机压比均成正相关。压气机能在根据材料耐高温极限设计的预冷器/压气机共同工作线上获得最高压比,但需消耗大量冷却剂,导致发动机比冲和热循环效率降低;冷却剂当量比始终控制在1.0左右的工作线能获得较高比冲、压比和热循环效率,同时消耗的功率和冷却剂均较低;保持较低熵增设计的工作线有较高热循环效率和较低功耗,但压比偏低,发动机难以提供较高输出功率。     

预冷组合动力高超声速空天飞机关键技术研究进展

为进一步加快反应时间、降低发射成本,各国加大了对可重复使用组合动力空天飞机的研发。英国采用预冷组合发动机SABRE的高超声速空天飞机Skylon项目在宽速域组合动力方面已取得突破性进展。本文首先对其动力系统中的关键技术如轻质高效空气预冷器、内循环换热系统以及高度补偿集成喷管进行了介绍;然后分析了面对不同任务需求的各阶段总体方案迭代,重点关注高空低密度条件下的高速布局设计、气动相关问题以及热防护措施;最后对载荷投放成本进行了横向比较,并阐述了欧空局对其作为下一代欧洲空天运输系统的任务规划。     

临近空间飞行器推进系统预冷器关键技术

临近空间由于其在现代战争中的重要战略意义已成为各国航空航天领域的研究重点,高超声速飞行器更是国家临近空间军事实力的一个重要标志。由于吸气式高超声速飞行器具有较高的飞行高度与马赫数,预冷技术已成为高超声速飞行器推进系统中的一项关键技术,而高性能预冷器设计是预冷技术的一个重要研究方向,预冷器的可靠性与流动传热特性是预冷系统的重要影响参数,对于紧凑、高效、高可靠性先进预冷器的研究具有十分重要的意义。基于目前公开的临近空间高超声速飞行器的主要动力形式及其对预冷技术的刚性需求,对预冷器设计中的关键技术与发展方向做了详细的阐述。     

主流速度对微细管式预冷器结霜和抑霜特性的影响

基于不同的实验工况,对微细管式预冷器分别开展了结霜和抑霜的地面实验研究,具体的实验工况为：主流的温度和湿度值分别为50℃和1.8 g/kg;主流速度分别为10、20、30 m/s。在不同主流速度的抑霜实验中,向主流中喷射的无水甲醇-水的质量比均为1.0。结霜和抑霜的地面实验结果均表明,主流速度对微细管式预冷器的结霜和抑霜特性均有显著的影响,且增大主流速度,能够明显地减少霜层在预冷器微细管束壁面外侧的凝结和累积量。在抑霜实验中,由于向主流中喷射了质量比为1.0的无水甲醇,预冷器微细管束的壁面温度显著增大,且抑霜效果得到明显改善,自由来流的压力损失系数亦明显下降,且预冷器的换热率显著增大。此外,随着主流速度逐渐增大,自由来流的压力损失系数急剧增大,而凝结在预冷器微细管束壁面外侧的霜层覆盖面积明显减小,这表明增大主流速度有利于抑制霜层在预冷器微细管束外侧壁面上的凝结和累积。