（封面图片文献来源：Luo W, Han H, Yu R, et al. Flow and heat transfer characteristics of air and n-decane in eccentric tube-in-tube helically coiled heat exchangers [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2021, 170: 107170.）

花瓣螺纹通道内超临界压力正癸烷换热数值研究

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研究背景

随着航空发动机动力需求逐渐提高，压气机增压比急剧增加，需要对压气机出口的高温空气进行冷却，以解决航空发动机热端部件的热防护问题。空气-燃料换热器是广泛应用的冷却措施，通过超临界碳氢燃料的变热物性对流换热实现航空发动机的热防护过程。空气-燃料换热器属于紧凑型换热器，换热通道密集布置，通道结构对换热性能具有显著影响。目前，空气-燃料换热器常用的是螺旋管、U型管、蛇形管、螺纹管、螺旋套管等通道，这些通道通过产生或强化通道截面二次流减薄热边界层达到增强换热的效果。现今航空换热器通道结构优化以增强换热性能是前沿科学问题。

解决的问题及创新点

本文设计了花瓣螺纹通道，其外部为圆形内截面为花瓣形，花瓣螺旋形成螺纹通道，利用螺纹结构实现旋流流动以实现增强换热的目的。通过数值模拟揭示了超临界正癸烷变热物性与花瓣螺纹旋流的耦合换热机制。阐述了正癸烷压力和花瓣数目对温度、主流速度、径向速度、切向速度、二次流速度的影响，通过螺旋强度和二次流强度定量描述了旋流作用和二次流效应，通过斯坦顿数和综合换热系数探究了摩擦阻力和增强换热效果。提出表征花瓣螺纹结构参数，建立了超临界正癸烷换热的关联式。

(a)n=4

(b)n=5

(c)n=6

Fig.1 Meshes of petal-ribbed channels

总结与展望

花瓣螺纹通道中超临界压力正癸烷换热机制进行数值研究。通道中后段观察到传热恶化问题，其源于高温热边界层类汽泡集聚后蒸干形成的类气膜层，该类气膜层阻碍壁面热量向核心区传导以及核心区冷流体润湿壁面。类气膜层充分膨胀和膨胀受限是传热恶化加深和减弱的原因。相比圆通道，花瓣螺纹旋流作用冲刷削弱类气膜层，换热性能更好。正癸烷压力越高，类气膜温度梯度对应的低密度层越薄，传热恶化越弱。高压力下流动加速减弱，旋流作用减弱，径向速度动量传递能力变差，切向速度离心力冲刷减弱，花瓣层二次流减弱，较难平衡花瓣内热边界层厚度，花瓣壁温峰谷差更突出。通道花瓣数越多，旋流动量越大，旋流作用越强，径向速度动量传递能力越好，切向速度离心力越大，花瓣层二次流越强，越容易平衡花瓣内热边界层厚度，花瓣壁温峰谷差越弱。高花瓣数通道具有延迟传热恶化的作用。斯坦顿数和换热系数随着正癸烷压力和花瓣数目改变同向变化，即换热系数越高，摩擦阻力系数也越大，综合换热系数处于1.05～1.78的范围。提出花瓣螺纹结构参数，建立了超临界正癸烷换热关联式。

后续工作中将设计新型的换热器通道，通过3D打印设计新型航空换热器，并通过机器学习实现换热器性能预测。