高热流密度燃烧室壁面阵列空气射流-燃油组合冷却结构研究

doi:10.13675/j.cnki.tjjs.200575

推进技术 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (4): 941-949.DOI: 10.13675/j.cnki.tjjs.200575

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高热流密度燃烧室壁面阵列空气射流-燃油组合冷却结构研究

吴青，谭晓茗，田佳，张靖周

南京航空航天大学能源与动力学院，航空飞行器热管理与能量利用工信部重点实验室，江苏南京 210016

出版日期:2021-04-15 发布日期:2021-04-15
作者简介:吴　青，硕士，助教，研究领域为高温壁面冷却方式。E-mail：15261805029@163.com

Integrated Cooling Configuration of Array Air Jets and Fuel Cooling for High-Heat-Flux Combustor Wall

Key Laboratory of Thermal Management and Energy Utilization of Aircraft，College of Energy and Power Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Online:2021-04-15 Published:2021-04-15

摘要/Abstract

摘要： 针对高热流密度燃烧室壁面热防护需求，提出了一种空气阵列射流冲击和燃油冷却肋板的集成冷却方式，在射流平均雷诺数Re_j为1×10⁴~3×10⁴，燃油进口流速v_f为2.33～5.23m/s内，采用数值模拟方法对其传热特性进行了研究，并基于壁面加热侧当量对流换热系数的概念，分析了基准肋板以及燃油冷却肋板的传热增强作用。与无肋板靶面的阵列射流冲击相比，带肋板阵列射流冲击的面积平均当量对流换热系数是前者的1.6倍，压力损失系数相对提高了约25%；采用燃油冷却肋板，加热壁面综合传热能力进一步增强，在Re_j=1×10⁴时，采用燃油冷却肋板的面积平均当量对流换热系数是基准肋板的1.5倍以上，即使在Re_j=3×10⁴时，燃油冷却肋板的传热增强比也可以达到1.2；燃油冷却肋板的出口温度相对进口温度的提升在20~50K内，其提升幅度随着射流雷诺数或燃油进口流速的增大而减小。

关键词: 空气阵列射流;燃油冷却肋板;集成冷却结构;综合传热性能;数值模拟

Abstract: An integrated cooling configuration was proposed by using array air-jets and fuel-cooled ribs to meet the thermal protection requirement in the high-heat-flux combustor wall. Numerical simulations were performed to characterize its heat transfer performance under a certain jet Reynolds number range （1×10⁴≤Re_j≤3×10⁴） and fuel inlet velocity range （2.33m/s≤v_f≤5.23m/s）. Based on the equivalent convective heat transfer coefficient on the heated side of target plate， the overall heat transfer enhancement by using baseline ribs and fuel-cooled ribs is illustrated. With respect to the no-rib situation， the presence of ribs in array-jet impingement makes the area-averaged equivalent convective heat transfer coefficient 1.6 times of the former. At the same time， the pressure loss coefficient otherwise increased about 25% relatively. By using the fuel-cooled ribs， the overall heat transfer capacity is further promoted. When compared to the baseline-rib situation， the heat transfer enhancement ratio in the viewing of area-averaged convective heat transfer coefficient is up to 1.5 under Re_j=1×10⁴. Even under Re_j=3×10⁴， the heat transfer enhancement ratio for the fuel-cooled ribs is 1.2 at least. Totally， the temperature rise of the fuel at outlet with respect to the inlet temperature increased about 20~50K. This temperature rise is reduced with the increase of jet Reynolds number and fuel inlet velocity.

Key words: Array air jets;Fuel-cooled ribs;Integrated cooling structure;Overall heat transfer performance;Numerical simulation

吴青，谭晓茗，田佳，张靖周. 高热流密度燃烧室壁面阵列空气射流-燃油组合冷却结构研究[J]. 推进技术, 2021, 42(4): 941-949.

WU Qing, TAN Xiao-ming, TIAN Jia, ZHANG Jing-zhou. Integrated Cooling Configuration of Array Air Jets and Fuel Cooling for High-Heat-Flux Combustor Wall[J]. Journal of Propulsion Technology, 2021, 42(4): 941-949.

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高热流密度燃烧室壁面阵列空气射流-燃油组合冷却结构研究

Integrated Cooling Configuration of Array Air Jets and Fuel Cooling for High-Heat-Flux Combustor Wall

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