航空发动机新型3D打印紧凑换热器设计与性能研究

航空发动机的热效率和经济性是评价其性能的重要指标,在航空发动机发展进程中,热管理技术可有效提升发动机的效率和经济性,因而近年来引起人们的广泛关注。在航空发动机的热管理技术中,紧凑高效的换热器设计与研制对提升航空发动机热管理技术水平具有重要的意义。当前正在快速发展的3D打印技术能够高精度制造出各种复杂、薄壁、轻质的结构件,使得更加复杂精细的紧凑换热器结构设计成为可能,同时使得新型换热器的研制周期大大缩短。3D打印技术的应用可以丰富对换热器的设计,有助于提高换热器的换热性能和紧凑度,从而满足现代航空应用中对换热器轻质高效的要求。本文以航空发动机空-空换热器为研究目标,以3D打印可实现技术为前提,优化设计一款航空发动机换热器,希望能够在原有的板翅式换热器基础上不降低换热性能的前提下实现体积及重量降低20%。本文首先根据换热器的设计要求,创新地设计了热侧翼型通道和通道内翅片布置的紧凑换热器,所设计的紧凑空-空换热器同时满足工况要求和3D打印要求。开发完善了基于效能-传热单元数法(η-NTU法)的适合于空-空换热器的热力设计程序。在完成新型紧凑换热器结构设计的基础上,本文利用商业流体计算软件ANSYS-FLUENT,对所设计的新型换热器在真实工况点下的性能进行了数值模拟研究。数值模拟的结果显示,热气出口温度和热力计算结果对照良好,能够满足换热能力要求;但热气压降和冷气压降与热力计算结果差距较大,前者可以很好地满足压降要求,后者则与压降要求有一定的差距。此外,通过换热器内部的一些温度、压力云图以及流线图,分析了新型换热器内部的流动换热特点以及翅片对新型换热器内部流场的影响。