低阻高效空气预冷器设计优化与性能研究

作     者：焦帅祥 

作者单位：国防科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邹建军;汪元

授予年度：2021年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：预冷器设计 结构优化 增强传热 数值仿真 

摘      要：紧凑式空气预冷器具有轻质、高效、综合传热性能优越等优点,在组合发动机的应用上有着巨大的潜力。为了进一步探索异型空气预冷器的传热机理及阻力性能,本文提出一种新型空气预冷器。开展了预冷器几何参数计算、提出了预冷器设计方法、进行了结构设计及优化、搭建了预冷试验台、开展了空气预冷试验与流热固耦合仿真分析等工作,对预冷器结构优化设计及其传热性能进行了深入研究。在空气预冷器设计方面,本文提出一种高可靠性的空气预冷器来流截面面积的计算方法,计算结果与实际数据误差在5%以内。同时,提出一种基于Dittus-Boelter公式的空气预冷器单相设计方法。该设计方法与试验数据的误差在20%以内。同时,还提出一种基于相变的空气预冷器设计方法,该设计方法将冷却剂相变分为三个过程,分别求解三个过程中的换热量和对数平均温差,最后利用换热量加权平均求得冷热流体平均温差。该方法解决了基于相变的空气预冷器设计过程中的平均温差计算求解的难题和在指定空气来流工况下,空气出口温度与冷却剂流量的对应关系求解问题。同时,设计了三种预冷器构型,一号预冷器为基准构型;二号预冷器在一号预冷器的基础上进行空气通道波浪化;三号预冷器则在二号预冷器的基础上进行圆周肋片波浪化。在空气预冷试验方面,自主设计并搭建了空气预冷试验系统,并撰写了试验流程。进行了试验系统可靠性验证与关键参数误差分析。利用该试验系统,研究了空气流量对空气温降的影响,探索了空气来流温度对空气温降、传热因子、摩擦因子以及综合传热性能的影响。除此之外,着重分析了预冷器构型对空气温降、传热因子、摩擦因子以及综合传热性能的影响。结果表明:二号预冷器的热效率提升了约49～56%;三号预冷器的热效率提升了约60%～66%。但是二号预冷器具有更好的综合传热性能。在数值仿真方面,本文对三种型号的空气预冷器模型简化单元进行了流热固耦合仿真研究。分析了三种空气预冷器的温度分布、流场分布以及预冷器结构热变形。结果表明:二号预冷器不仅在综合传热性能上优于一号、三号预冷器。在预冷器结构热变形方面,二号预冷器也避免了局部热变形过大的问题。