一种矩形主动冷却通道设计方法及结构

1.本发明属于吸气式冲压发动机冷却领域，具体是涉及到一种矩形主动冷却通道设计方法 及结构。


背景技术：

2.吸气式冲压发动机受到内流道的热载荷的冲击容易引起结构变形，也会导致元器件工作 温度超过额定范围，因此热防护问题成为制约发动机长时间可靠运行的关键。热防护技术主 要分为两种，即采用耐高温复合材料的被动冷却方式和基于冷却工质的主动冷却方式，在实 际工程问题中更多采用主/被动冷却结合的热防护技术。考虑到耐高温复合材料的成本很高， 极限承受温度大约2000k，难以实现高马赫飞行条件下发动机全系统的热防护。利用液态燃 料为工质的再生冷却被认为是目前最具前景的发动机热防护技术之一，回收的热量能够继续 参与做功，进而提升推进系统的全局性能。
3.现有的冷却通道主要采用固定几何构型方案，沿着流动方向横截面积始终保持不变，并 且在发动机周向均匀分布，详细可以参考图1。该方案采用等截面的矩形冷却通道，其最显 著的优势在于几何构型简单，便于加工生产，采用传统的机加工技术就能实现，可以显著节 约成本。但是定几何构型方案中冷却工质与内流道之间的有效换热面积相对固定，即全流道 系统的对流换热能力基本相当。然而，实际发动机内热流密度沿着流动方向逐渐变化，尤其 在燃烧室内热流密度很高，现有的方案会导致冷却剂在低热流密度区域吸收更多的热量，导 致高热流区域的吸热能力不足，因此结构的局部最高温度过大。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种适配发动机内流道的热流分布进行适配性降温的矩 形主动冷却通道设计方法及结构。
5.本发明提供一种矩形主动冷却通道设计方法，包括如下步骤：
6.获取发动机内流道的热流分布，热流分布包括发动机内流道流动方向的热流密度；
7.确定发动机内流道热流密度最大值及其最高温位置，发动机内流道热流密度最小值及其 最低温位置；
8.获取冷却通道最高温位置和冷却通道最低温位置的要求横截面参数，所述要求横截面参 数包括要求横截面积和要求宽度；
9.根据所述冷却通道最高温位置位置和冷却通道最低温位置的预设横截面参数以及发动机 内流道最高温位置和最低温位置的热流密度构建冷却通道宽度计算模型，所述冷却通道宽度 计算模型中求得的冷却通道宽度与所述热流密度呈正比，且保证所述冷却通道的横截面积沿 着流动方向保持不变；
10.将所述发动机内流道流动方向各个位置的热流密度代入所述冷却通道宽度计算模型，计 算出冷却通道沿流动方向各个位置的宽度，根据要求横截面积和求得的各个位置
的宽度构建 冷却通道构型。
11.更进一步地，根据要求横截面积和求得的各个位置的宽度构建冷却通道构型：
12.所述冷却通道构型的任一截面为矩形。
13.更进一步地，根据要求横截面积和求得的各个位置的宽度构建冷却通道构型：
14.保证所述冷却通道靠近发动机内流道一侧与发动机内壁距离保持一致。
15.更进一步地，所述要求横截面参数中的要求横截面积包括：
16.所述要求横截面积根据冷却通道的流量以及冷却介质的要求密度和要求速度计算求得。
17.更进一步地，确定发动机内流道热流密度最大值及其最高温位置包括：
18.所述最高温位置为冷却通道出口位置。
19.更进一步地，确定发动机内流道热流密度最小值及其最低温位置包括：
20.所述最低温位置为冷却通道入口位置。
21.本发明还提供一种矩形主动冷却通道结构，包括发动机内壁，所述发动机内壁内设置有 冷却通道，所述冷却通道的宽度与发动机内流道的热流密度呈正比，所述冷却通道的横截面 积沿着流动方向保持不变。
22.更进一步地，所述冷却通道靠近发动机内流道一侧与发动机内壁距离保持一致。
23.更进一步地，所述冷却通道任一处横截面呈矩形。
24.更进一步地，所述冷却通道沿发动机内壁轴线呈环形阵列设置有若干个。
25.本发明的有益效果是，本发明在保证冷却管路横截面积不变的条件下，根据发动机的热 流密度大小分配冷却通道的宽度，进而合理分配有效的换热面积，可以随着热流密度的增加 逐渐提升系统的热换能力，进而实现更高的热防护性能，达到根据发动机结构温度的空间特 性合理分配散热效率，最终实现降低局部最高温度的要求，解决常规冷却通道使制冷剂在低 热流密度吸收过多的热量，导致高热流区域的吸热能力不足的问题。另外，保证所述冷却通 道的横截面积沿着流动方向保持不变，可以保证发动机内流道的侧壁满足强度要求，同时保 证了管内流动速度不随截面发生变化，另外，本发明冷却通道长度保持不变，在不改变冷却 系统整体布局和不引入其它结构的情况下，通过对冷却通道的尺寸改变实现降低结构局部最 高温度的目的，降低冷却结构设计以及加工的成本。
附图说明
26.附图1为常规冷却通道的结构示意图。
27.附图2为本发明冷却通道的结构示意图。
28.附图3为常规冷却通道与本发明冷却通道中心截面上的温度分布云图。
29.附图4为常规冷却通道与本发明冷却通道底壁的温度分布云图。
30.附图5为本发明的流程示意图。
31.在图中，1-发动机内壁；2-冷却通道。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基
于本发 明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
33.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用 于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该 特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
34.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为 指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、
ꢀ“
第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的 含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解， 例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可 以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间 接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对 于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术 人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案 的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
37.如附图1-5所示，本发明提供一种矩形主动冷却通道设计方法，包括如下步骤：
38.获取发动机内流道的热流分布，热流分布包括发动机内流道流动方向的热流密度，发动 机内流道是指发动机内壁内的流道空间，冷却通道可以贴设在发动机内壁外侧，优选直接设 置在发动机内壁内，发动机内流道的热流密度分布与发动机内壁上热量的分布情况一致；
39.确定发动机内流道热流密度最大值及其最高温位置，发动机内流道热流密度最小值及其 最低温位置；
40.获取冷却通道最高温位置和冷却通道最低温位置的要求横截面参数，要求横截面参数为 满足散热基本要求所设定的标准横截面参数，以保证流入该横截面的冷却介质可以带走发动 机内部所要求带走的热量，保证发动机的正常使用，所述要求横截面参数包括要求横截面积 和要求宽度；
41.根据所述冷却通道最高温位置和冷却通道最低温位置的预设横截面参数以及发动机内流 道最高温位置和最低温位置的热流密度构建冷却通道宽度计算模型，所述冷却通道宽度计算 模型中求得的冷却通道宽度与所述热流密度呈正比；保证所述冷却通道的横截面积沿着流动 方向保持不变，因此要求横截面积即为冷却通道任一横截面的面积；
42.冷却通道宽度计算模型为：
[0043][0044]
其中，w
x
为待求位置的冷却通道宽度，q
max
为热流密度最大值，q
min
为热流密度最小值， q
x
为待求位置的发动机热流密度值，a为q
min
所在位置的要求宽度，b为q
max
所在位置的要求 宽度。
[0045]
以此，将所述发动机内流道流动方向各个位置的热流密度代入所述冷却通道宽度
计算模 型，即可计算出冷却通道沿流动方向各个位置的宽度，而由于所述冷却通道的横截面积沿着 流动方向保持不变，同时又通过冷却通道宽度计算模型计算出了冷却通道各个位置的宽度， 因此可以计算出冷却通道各个位置的高度，进而根据要求横截面积和求得的各个位置的宽度 构建适配于该种热流分布的冷却通道构型，该冷却通道构型可以对高热流密度区域进行更多 的散热。
[0046]
本发明在保证冷却管路横截面积不变的条件下，根据发动机的热流密度大小分配冷却通 道的宽度，进而合理分配有效的换热面积，可以随着热流密度的增加逐渐提升系统的热换能 力，进而实现更高的热防护性能，达到根据发动机结构温度的空间特性合理分配散热效率， 最终实现降低局部最高温度的要求，解决常规冷却通道使制冷剂在低热流密度吸收过多的热 量，导致高热流区域的吸热能力不足的问题。另外，保证所述冷却通道的横截面积沿着流动 方向保持不变，可以保证发动机内流道的侧壁满足强度要求，同时保证了管内流动速度不随 截面发生变化，另外，本发明冷却通道长度保持不变，在不改变冷却系统整体布局和不引入 其它结构的情况下，通过对冷却通道的尺寸改变实现降低结构局部最高温度的目的，降低冷 却结构设计以及加工的成本。
[0047]
在其中一个实施例中，根据要求横截面积和求得的各个位置的宽度构建冷却通道构型：
[0048]
所述冷却通道构型的任一截面为矩形，冷却通道采用矩形结构，便于快速设计和加工， 降低设计和生产成本。
[0049]
在其中一个实施例中，根据要求横截面积和求得的各个位置的宽度构建冷却通道构型：
[0050]
保证所述冷却通道靠近发动机内流道一侧与发动机内壁距离保持一致，即矩形冷却通道 的下表面始终保持水平并且法线方向指向发动机内部，保证冷却通道的吸热效率。
[0051]
在其中一个实施例中，所述要求横截面参数中的要求横截面积包括：
[0052]
所述要求横截面积根据冷却通道的流量以及冷却介质的要求密度和要求速度计算求得。 具体地，由于横截面积、流量和冷却介质满足以下公式：
[0053][0054]
其中，a为横截面积，为单个冷却通道的流量，ρ为冷却介质的密度，u为冷却介质 的速度。本实施例中，可以根据热流密度所要求的流量和冷却介质所要求的密度和流速求得 所需要的要求横截面积，同时由于横截面积a沿流动方向保持不变，使冷却通道内各个位置 的流量不变，以实现控制单一变量，因此确保冷却工质的流速只是温度的函数，不依赖于 型面发生变化，进而说明换热结果会随换热面积变化。
[0055]
在其中一个实施例中，确定发动机内流道热流密度最大值及其最高温位置包括：
[0056]
所述最高温位置为冷却通道出口位置。
[0057]
在其中一个实施例中，确定发动机内流道热流密度最小值及其最低温位置包括：
[0058]
所述最低温位置为冷却通道入口位置。
[0059]
本发明还提供一种矩形主动冷却通道结构，包括发动机内壁1，所述发动机内壁1内设 置有若干个冷却通道2，所述冷却通道2的宽度与发动机内流道的热流密度呈正比，所
述冷 却通道2的横截面积沿着流动方向保持不变。
[0060]
本发明在保证冷却管路横截面积不变的条件下，根据发动机的热流密度大小分配冷却通 道2的宽度，进而合理分配有效的换热面积，可以随着热流密度的增加逐渐提升系统的热换 能力，进而实现更高的热防护性能，达到根据发动机结构温度的空间特性合理分配散热效率， 最终实现降低局部最高温度的要求，解决常规冷却通道2使制冷剂在低热流密度吸收过多的 热量，导致高热流区域的吸热能力不足的问题。另外，保证所述冷却通道2的横截面积沿着 流动方向保持不变，可以保证发动机内流道的侧壁满足强度要求，同时保证了管内流动速度 不随截面发生变化，另外，本发明冷却通道2长度保持不变，在不改变冷却系统整体布局和 不引入其它结构的情况下，通过对冷却通道2的尺寸改变实现降低结构局部最高温度的目的。
[0061]
所述冷却通道2靠近发动机内流道一侧与发动机内壁距离保持一致，即矩形冷却通道2 的下表面始终保持水平并且法线方向指向发动机内部，保证冷却通道2的吸热效率。所述冷 却通道2任一处横截面呈矩形，冷却通道2采用矩形结构，便于快速设计和加工，降低设计 和生产成本。所述冷却通道2沿发动机内壁轴线呈环形阵列设置有若干个，提高发动机整体 的散热效率。
[0062]
以发动机的热流密度呈线性分布为例，发动机燃烧室从入口至出口的热流密度逐渐提高， 即燃烧室入口位置的热流密度最小，燃烧室出口位置的热流密度最大，冷却通道2的构型设 计如图2所示。具体设计方法如下：
[0063]
通过理论计算确定或者实验获取吸气式冲压发动机内流道的热流分布，热流密度与冷却 通道2的宽度满足线性关系，根据冷却通道2宽度计算模型：
[0064][0065]
可得冷却通道2的宽度沿冷却通道2的入口方向至出口方向依次变宽，而冷却通道2的 高度(矩形的短轴长度)沿冷却通道2的入口方向至出口方向依次变低。
[0066]
冷却通道沿发动机轴线呈环形阵列设置有若干个，根据热力循环分析给出冷却系统需要 的冷却剂总流量折算出单个通道流量
[0067][0068]
其中n为冷却通道2的个数，根据冷却流道入口位置的物性参数和设计流速可以估算出 入口截面积a：
[0069][0070]
式中ρ和u分别为入口处冷却工质的密度和速度，其中，面积a在设计之初即以确定，固面 积a为常数。
[0071]
为了减小流阻和便于加工，横截面的上边界采用轴对称的线段fz。对于固定面积的几何 构型满足：
[0072][0073]
根据矩形的几何特征，面积计算方法如下：
[0074]
a＝w
xh[0075]
其中h为矩形的短轴长度，则可以得到：
[0076][0077]
根据冷却通道2的截面宽度w
x
和高度h沿着流动方向的变化规律，以及矩形构型的确定， 可以生成如图2所示依赖于壁面热流密度的定面积变几何的冷却通道2结构。
[0078]
经过数值模拟验证，如图2所示定面积变几何冷却通道2的入口型面为3
×
3mm的正方形， 出口型面为4.5
×
2mm的长方形，总长度为380mm，冷却通道2入口截面上超临界煤油的流量 为0.018kg/s，压力3.0mpa，温度333k，下壁面平均热流密度为815kw，其它边界按照绝热 无滑移条件处理。本发明常规冷却通道2中心截面上的平均温度分布云图与本发明常规冷却 通道2中心截面上的平均温度分布云图对比如图3所示，常规冷却通道2底壁与本发明冷却 通道2底壁的温度分布对比如图4所示，本发明底壁上的温度明显降低，能够带走更多的热 量。
[0079]
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。