摘要
轻质、高效的预冷器是SABRE发动机的核心部件，其性能将直接关系到发动机的总体性能。SABRE预冷器采用微细换热管束设计，空气预冷深度近1000K，传统列管式换热器的传热计算方法用于SABRE工作条件时，其适用性需要进一步分析和评价。本文首先针对SABRE预冷器换热管束设计加工的原理测试样件，搭建了专门传热特性实验测试系统，在测试了样件的换热性能并验证数值计算方法合理性基础上，利用数值分析方法，进一步获得了SABRE预冷器的总体及局部流动换热特性等性能参数。通过对实验测试及数值结果的进一步分析，给出了Zukauskas关联式用于计算SABRE预冷器换热性能适用性较差等原因，提出了预冷器分区采用Zukauskas关联式的方法，大幅提高了Zukauskas关联式的适用性。主要进展如下： （1）SABRE预冷器微细管束结构原理测试样件换热性能测试结果表明，在常压和空气流量15.3kg/h条件下，空气横掠仅5排传热管且通过时间仅为14.7毫秒，其稳定便可从201℃急冷至29℃，功重比与热流密度达到了13.6kW/kg和5.3kW/m2，证明微细管束具备极强的换热能力。进一步的数值分析表明，该管束结构拓展至SABRE工作条件时，其换热能力可达640kW/m2。 （2）基于对微细管束结构传热特性的数值分析结果，分析和评价了Zukauskas经验关联式的适用性。结果表明：由于空气横掠微细管束时，沿程换热强度会急剧下降，造成空气物性及换热过程呈现出显著的不均匀性，造成Zukauskas实验关联式适用性显著降低，平均相对预测偏差达27.8%。根据管束壳侧空气的温降过程特点，沿空气流动方向将整个换热区域划分成若干个子区域，再在各子区域分别利用Zukauskas关联式计算，关联式的预测精度得了大幅提高；当换热区域划分为12个子区域时，Zukauskas关联式计算结果与数值模拟结果之间的计算偏差最小，平均偏差由27.8%降低为5.8%。 （3）基于数值模拟结果，评价了Zukauskas关联式用于计算SABRE预冷器换热性能的适用性。研究发现：Zukauskas关联式与数值模拟给出的平均努塞尔数的相对平均偏差为28%；通过调整Zukauskas关联式中定性温度和特征速度计算方式后，大大提高了Zukauskas关联式的计算精度，关联计算得到的平均努塞尔数与数值模拟结果的平均偏差降低为6.2%。
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