强压力梯度下跨临界碳氢燃料旋转冷却流动换热机理研究

MW power generation technology is the core and key technology to develop endurance, reusable aerospace vehicle with hypersonic speed (Ma>5). Air turbine power generation technology with the advantages of high power density has been widely used on aircraft with low Mach number. However, the stagnation temperature of incoming air continuously increases with the increase of Mach number, which makes it necessary to take cooling measures for air turbine used in high Mach number working conditions. However, the temperature of air is too high to be used as coolant. In order to solve this problem, a scheme of rotating cooling with hydrocarbon fuel used as coolant is put forward to solve the technology bottleneck of turbine’s cooling. In the program, a numerical model and a special platform will be established to investigate the flow and heat transfer mechanism of hydrocarbon fuel rotating cooling with the coupling effect of transcritical process and additional force of rotation, to explore the influencing factors and their influencing mechanism, to develop a method of flow control and heat transfer enhancement for hydrocarbon fuel rotating cooling, and finally to reveal the particularity of hydrocarbon fuel rotating cooling and master the flow control method and heat transfer enhancement approach. Prospectively, this project can be the technic support of fuel cooling turbine.

兆瓦级电力生成技术是发展长航时、可重复使用高速空天飞行器(Ma>5)的核心关键技术。空气涡轮发电技术以功率密度高等优点普遍用于低马赫数飞行器。飞行器的飞行马赫数提升过程中，来流空气总温随之升高，因此，空气涡轮需要采取冷却措施，而这时总温过高的空气无法作为冷却剂。为了解决这一问题，申请人提出以机载碳氢燃料作为叶片冷却剂的旋转冷却方案，来解决发电用空气涡轮冷却的技术瓶颈。本项目拟通过建立碳氢燃料旋转冷却数值模型和实验平台，研究跨临界过程与旋转附加力耦合作用下的碳氢燃料的流动传热过程，探索大跨度压力分布下旋转冷却的影响因素及机理，在此基础上发展碳氢燃料旋转冷却的流动控制和传热强化方法。以期揭示碳氢燃料旋转冷却流动及换热机理的特殊性，掌握对这一特殊过程的控制和优化方法。本项目的研究结果将对空气涡轮的碳氢燃料冷却技术提供技术支撑。

兆瓦级电力生成技术是发展长航时、可重复使用高速空天飞行器(Ma>5)的核心关键技术。空气涡轮发电技术以功率密度高等优点普遍用于低马赫数飞行器。飞行器的飞行马赫数提升过程中，来流空气总温随之升高，因此，空气涡轮需要采取冷却措施，而这时总温过高的空气无法作为冷却剂。为了解决这一问题，申请人提出以机载碳氢燃料作为叶片冷却剂的旋转冷却方案，来解决发电用空气涡轮冷却的技术瓶颈。.本项目建立了碳氢燃料旋转冷却数值模型，研究跨临界过程与旋转附加力耦合作用下的碳氢燃料的流动传热过程。建立了燃料冷却空气涡轮的物理模型，验证了SST kw湍流模型应用于碳氢燃料旋转冷却的适用性。对于燃料冷却的空气涡轮，5g/s的流量即可实现单叶片190K以上的温降，吸热热流密度高达1.74MW/m2。验证了燃料冷却涡轮的良好冷却能力。同时，动叶气膜冷却的研究表明：旋转附加力的作用下的流动和换热规律与静止条件有着显著的差异。加之碳氢燃料物性与空气有巨大的差异，且温度的变化更容易导致各物性的变化，使碳氢燃料在旋转通道内的流动换热更为复杂。进一步研究发现：冷却通道内的流动特征主要由旋转数决定；针肋能够改善流道避免的传热分布，提高传热系数；在高速转动的加热通道内，离心力主导了管内压力，形成巨大的压力跨度，加之加热引起流体的温度升高，从而导致碳氢燃料物性的变化。而密度的变化导致离心通道的离心力高于向心通道，表现出减小进出口压差的作用。