飞行包线内空气换热器能力边界研究及进展

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31745

流体力学与飞行力学

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

飞行包线内空气换热器能力边界研究及进展

何雅玲¹(), 姜涛¹, 杜燊¹, 徐国强²

^1.西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室，西安 710049
^2.北京航空航天大学航空发动机研究院，北京 100191

收稿日期:2024-12-31 修回日期:2025-01-13 接受日期:2025-01-22 出版日期:2025-02-11 发布日期:2025-02-10
通讯作者: 何雅玲 E-mail:yalinghe@mail.xjtu.edu.cn
基金资助:
国家科技重大专项（J2019-Ⅲ-0021-0065）;陕西省重点研发专项计划(2022GXLH-01-04)

Research progress on performance boundary of air heat exchanger within flight envelope

Yaling HE¹(), Tao JIANG¹, Shen DU¹, Guoqiang XU²

^1.Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of Ministry of Education，School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China
^2.Research Institute of Aero-engine，Beihang University，Beijing 100191，China

Received:2024-12-31 Revised:2025-01-13 Accepted:2025-01-22 Online:2025-02-11 Published:2025-02-10
Contact: Yaling HE E-mail:yalinghe@mail.xjtu.edu.cn
Supported by:
National Science and Technology Major Project of China （J2019-Ⅲ-0021-0065）;The Key R&D Special Program of Shaanxi Province(2022GXLH-01-04)

摘要/Abstract

摘要：

掌握航空发动机用换热器在飞行包线内的换热极限，并拓展其能力边界，是推动航空发动机朝着更大推重比方向发展的关键举措。围绕冷却冷却空气技术对换热器设计的需求展开研究，首先，回顾了当前航空发动机中典型空气换热器的构型、具有应用前景的新型换热结构；其次，提出了飞行包线内换热器能力边界的分析与拓展方法，以保障航空发动机在复杂工况下的稳定与高效运行，并且给出了非均匀布置蛇形管换热器的能力边界范围；再次，回顾了现有换热器的性能评价方法，提出了航空发动机用换热器综合性能评价图，以实现换热器综合性能的快速评价；最后，对航空发动机用空气换热器的发展前景进行了展望。

关键词: 航空发动机, 换热器, 飞行包线, 性能评价, 冷却冷却空气

Abstract:

Understanding the heat transfer limits of heat exchangers for aero-engines within the flight envelope and expanding their performance boundaries are critical measures to advance aero-engines toward higher thrust-to-weight ratios. This paper focuses on the design requirements of heat exchangers used in cooled cooling air technology. First， the structures of typical air heat exchangers in aero-engines and novel heat exchanger structures with promising applications are reviewed. Then， the method for analyzing and expanding the performance boundaries of heat exchangers within the flight envelope is proposed to ensure the stable and efficient operation of the aero-engines under complex working conditions. The performance boundary range of non-uniformly arranged serpentine tube heat exchangers is also provided. Subsequently， the existing heat exchanger performance evaluation methods are reviewed， and the comprehensive performance evaluation plot for aero-engine heat exchangers is developed. Finally， the development prospects of air heat exchangers for aero-engines are discussed.

Key words: aero-engine, heat exchanger, flight envelope, performance evaluation, cooled cooling air

中图分类号:

V231.1

何雅玲, 姜涛, 杜燊, 徐国强. 飞行包线内空气换热器能力边界研究及进展[J]. 航空学报, 2025, 46(5): 531745.

Yaling HE, Tao JIANG, Shen DU, Guoqiang XU. Research progress on performance boundary of air heat exchanger within flight envelope[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(5): 531745.

图/表 8

表1

空气换热器实验研究

作者及年份	换热器类型	实验工况	换热器性能
Huang等^［24］2004	燃油-空气金属泡沫换热器	冷侧进口温度：700 K 热侧进口温度：922 K 冷侧质量流量：0.000 6 kg·s^-1	总热沉： 3 000.00~3 441.86 kJ·kg^-1
Wen等^［26］ 2017	燃油-空气管翅式换热器	热侧进口温度：423 K 冷侧质量流量：0.10~0.23 kg·s^-1 热侧质量流量：0.07~0.17 kg·s^-1	尺寸：268×72×80 mm³ 重量：1.207 kg 功重比：9.86 kW·kg^-1 换热量：11.9 kW
Li等^［11］ 2017	空气-空气蛇形管换热器	热侧进口温度：500 K 冷侧质量流量：0.10~0.60 kg·s^-1 热侧质量流量：0.05~0.20 kg·s^-1	尺寸：175×145×140 mm³ 重量：2.04 kg 热侧温差：200 K
Kim等^［13］ 2019	空气-空气U型平顶管式换热器	冷侧雷诺数：1 500 热侧雷诺数：10 200	冷侧温差：38.5 K 热侧温差：61.3 K 冷侧压降：1.41 kPa 热侧压降：43.48 kPa
Liu等^［27］ 2020	空气-空气板翅式换热器	冷侧进口温度：216.65~268.65 K 热侧进口温度：365.15~388.25 K 热侧质量流量：0.067 kg·s^-1	尺寸：180×180×86 mm³ 冷侧出口温度：291.45 K 热侧出口温度：299.65 K 冷侧压降：0.92 kPa 热侧压降：2.40 kPa
Ho等^［28］ 2020	多孔晶格空气换热器	功率：8 kW 冷侧质量流量：0.1~0.5 kg·s^-1 热侧体积流量：3.0 L·min^-1	冷侧换热系数： 75~300 W·m^-2·K^-1 多孔晶格换热器的换热系数是翅片管换热器的2倍以上
Broatch等^［29］2022	燃油-空气表面式换热器	热侧进口温度：1.33倍环境温度热侧体积流量：18.1×10^-3 m³·s^-1	换热系数： 314.1~942.9 W·m^-2·K^-1 阻力系数： 8.26×10^-3~21.69×10^-3
Pandey等^［30］2022	空气-空气交叉管式换热器	冷侧进口温度：953 K 热侧进口温度：1 023 K 冷侧质量流量：0.3~6.0 kg·s^-1 热侧质量流量：0.1~7.7 kg·s^-1	换热量： 193.74~205.38 kW 冷侧压降：5.5 kPa
Dixit等^［31］ 2022	三周期极小曲面换热器	冷侧进口温度：293 K 热侧进口温度：333 K 体积流量：100~270 mL·min^-1	尺寸： 32.2×32.2×32.2 mm³ 冷侧温差：10~14 K 热侧温差：13~20 K
Fu等^［32］ 2024	燃油-空气蛇形管换热器	冷侧进口温度：291~303 K 热侧进口温度：338~588 K 冷侧雷诺数：4 383~9 518 热侧雷诺数：1 100~13 225	换热量：16~28 kW 传热系数： 600~1 000 W·m^-1·K^-1

表1

图1

图2

图3

表2

图 4

图5

图6

参考文献 50

1	ZENG Q H， CHEN X W. Combustor technology of high temperature rise for aero engine［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2023， 140： 100927.
2	WANG Y， DING X Y. Principles of aero engines［M］. Beijing： Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press， 2009.
3	杨书杰. 新进展，新发现！“国家太空实验室”硕果频出！［EB/OL］. （2024-07-03）. .
	YANG S J. New progress and new discoveries！ The “National Space Laboratory” is yielding fruitful results！（2024-07-03）. （in Chinese）.
4	CHEN X Y， QIU L， ZHANG M S， et al. Nanoparticle-reinforced SiOC ceramic matrix composite films with structure gradient fabricated by inkjet printing and laser sintering［J］. Communications Materials， 2024， 5： 96.
5	ZHANG X F， DENG Z Q， LI H， et al. Al₂O₃-modified PS-PVD 7YSZ thermal barrier coatings for advanced gas-turbine engines［J］. NPJ Materials Degradation， 2020， 4： 31.
6	ZHUANG L H， XU G Q， LIU Q H， et al. Superiority analysis of the cooled cooling air technology for low bypass ratio aero-engine under typical flight mission［J］. Energy Conversion and Management， 2022， 259： 115510.
7	LIU P H， WANG R T， LIU S B， et al. Experimental study on the thermal-hydraulic performance of a tube-in-tube helical coil air-fuel heat exchanger for an aero-engine［J］. Energy， 2023， 267： 126626.
8	龚昊. 间冷回热涡扇发动机循环参数优化及间冷回热器设计方法研究［D］. 西安：西北工业大学， 2016.
	GONG H. Study on cycle parameter optimization for intercooled recuperated turbofan engine and design method for intercooler and recuperator［D］. Xi’an： Northwestern Polytechnical University， 2016 （in Chinese）.
9	CHEPKIN V. New generation of Russian aircraft engines conversion and future goals［C］∥International Symposium on Air Breathing Engines， 1999： 99-7042.
10	SOBEL D R， SPADACCINI L J. Hydrocarbon fuel cooling technologies for advanced propulsion［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 1997， 119（2）： 344-351.
11	LI H W， HUANG H R， XU G Q， et al. Performance analysis of a novel compact air-air heat exchanger for aircraft gas turbine engine using LMTD method［J］. Applied Thermal Engineering， 2017， 116： 445-455.
12	XU G Q， ZHUANG L H， DONG B S， et al. Optimization design with an advanced genetic algorithm for a compact air-air heat exchanger applied in aero engine‍［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2020， 158： 119952.
13	KIM J， SIBILLI T， HA M Y， et al. Compound porous media model for simulation of flat top U-tube compact heat exchanger［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2019， 138： 1029-1041.
14	刘启航，闻洁，吕璐璐，等. 紧凑翅片管式空气-燃油换热器试验［J］. 航空动力学报， 2023， 38（12）： 2848-2860.
	LIU Q H， WEN J， LV L L， et al. Experiment of compact finned-tube air-fuel heat exchanger［J］. Journal of Aerospace Power， 2023， 38（12）： 2848-2860 （in Chinese）.
15	E. U. 施林德尔. 换热器设计手册（第三卷）：换热器的热设计与流动设计［M］. 马庆芳，马重芳，译. 北京：机械工业出版社， 1988.
	SCHLUNDER E .U. Heat exchanger design handbook （Vol.3）： Thermal and hydraulic design of heat exchanger［M］. MA Q F， MA C F， trans. Beijing： China Machine Press， 1988 （in Chinese）.
16	LONDON A， SHAH R. Offset rectangular plate-fin surfaces： Heat transfer and flow friction characteristics［J］. Journal of Engineering for Power， 2013， 90： 218-228.
17	KAYS W M， LONDON A L， ECKERT E. Compact heat exchangers［M］‍∥Engineering， Materials Science， 1984.
18	DEWSON S J， GRADY C. Heatric™ workshop at MIT［D］. Boston： Massachusetts Institute of Technology， 2003.
19	FOCKE W W， ZACHARIADES J， OLIVIER I. The effect of the corrugation inclination angle on the thermohydraulic performance of plate heat exchangers［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 1985， 28（8）： 1469-1479.
20	LI Q， FLAMANT G， YUAN X G， et al. Compact heat exchangers： A review and future applications for a new generation of high temperature solar receivers［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2011， 15（9）： 4855-4875.
21	LI H， LIU H X， ZOU Z P. Experimental study and performance analysis of high-performance micro-channel heat exchanger for hypersonic precooled aero-engine［J］. Applied Thermal Engineering， 2021， 182： 116108.
22	SILVA R P P DA， MORTEAN M V V， DE PAIVA K V， et al. Thermal and hydrodynamic analysis of a compact heat exchanger produced by additive manufacturing［J］. Applied Thermal Engineering， 2021， 193： 116973.
23	ZHANG X， TIWARI R， SHOOSHTARI A H， et al. An additively manufactured metallic manifold-microchannel heat exchanger for high temperature applications［J］. Applied Thermal Engineering， 2018， 143： 899-908.
24	HUANG H， SPADACCINI L J， SOBEL D R. Fuel-cooled thermal management for advanced aeroengines［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 2004， 126（2）： 284-293.
25	冯博洋，于霄，吴小军，等. 基于石墨烯功能材料的高温钛合金多流体换热器研究［J］. 航空动力， 2024（2）： 61-64.
	FENG B Y， YU X， WU X J， et al. Study on high temperature titanium alloy multi-fluid heat exchanger based on graphene functional materials［J］. Aerospace Power， 2024（2）： 61-64 （in Chinese）.
26	WEN J， HUANG H R， LI H W， et al. Thermal and hydraulic performance of a compact plate finned tube air-fuel heat exchanger for aero-engine［J］. Applied Thermal Engineering， 2017， 126： 920-928.
27	LIU Z T， SUN M Y， HUANG Y Q， et al. Investigation of heat transfer characteristics of high-altitude intercooler for piston aero-engine based on multi-scale coupling method［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2020， 156： 119898.
28	HO J Y， LEONG K C， WONG T N. Additively-manufactured metallic porous lattice heat exchangers for air-side heat transfer enhancement［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2020， 150： 119262.
29	BROATCH A， OLMEDA P， GARCÍA-TÍSCAR J， et al. Experimental aerothermal characterization of surface air-cooled oil coolers for turbofan engines［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2022， 190： 122775.
30	PANDEY S， KALLATH H， CHOI H Y， et al. Numerical study of the effect of flow nonuniformities on the low-pressure side of a cooled cooling air heat exchanger［J］. Applied Thermal Engineering， 2022， 217： 119113.
31	DIXIT T， AL-HAJRI E， PAUL M C， et al. High performance， microarchitected， compact heat exchanger enabled by 3D printing［J］. Applied Thermal Engineering， 2022， 210： 118339.
32	FU Y C， BIAN B T， LIU Y L， et al. Airside heat transfer analysis using Wilson plot method of three analogous serpentine tube heat exchangers for aero-engine cooling［J］. Applied Thermal Engineering， 2024， 248： 123238.
33	LIU Q H， XU G Q， WEN J， et al. Multivariate design and analysis of aircraft heat exchanger under multiple working conditions within flight envelope［J］. Journal of Thermal Science and Engineering Applications， 2022， 14（6）： 061003.
34	谭公礼，吴学群，卢建. 机载换热器工作包线计算及试验研究［J］. 南京航空航天大学学报， 2019， 51（3）： 410-416.
	TAN G L， WU X Q， LU J. Calculation and experimental study on working envelope of airborne heat exchanger［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2019， 51（3）： 410-416 （in Chinese）.
35	何雅玲，陶文铨. 强化单相对流换热的基本机制［J］. 机械工程学报， 2009， 45（3）： 27-38.
	HE Y L， TAO W Q. Fundamental mechanism of enhancing single-phase convective heat transfer［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2009， 45（3）： 27-38 （in Chinese）.
36	何雅玲，雷勇刚，田丽亭，等. 高效低阻强化换热技术的三场协同性探讨［J］. 工程热物理学报， 2009， 30（11）： 1904-1906.
	HE Y L， LEI Y G， TIAN L T， et al. An analysis of three-field synergy on heat transfer augmentation with low penalty of pressure drop［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2009， 30（11）： 1904-1906 （in Chinese）.
37	何雅玲，陶文铨，王煜，等. 换热设备综合评价指标的研究进展［C］∥2011年中国工程热物理学会传热传质学学术会议. 北京：中国工程热物理学会， 2011.
	HE Y L， TAO W Q， WANG Y， et al. Research progress of comprehensive evaluation index of heat exchange equipment［C］∥Heat and Mass Transfer Conference of the Chinese Society of Engineering Thermophysics. Beijing：Chinese Society of Engineering Thermophysics， 2011 （in Chinese）.
38	HE Y L， TAO W Q. Numerical studies on the inherent interrelationship between field synergy principle and entransy dissipation extreme principle for enhancing convective heat transfer［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2014， 74： 196-205.
39	HE Y L， TAO W. Convective heat transfer enhancement： mechanisms， techniques， and performance evaluation［J］. Advances in Heat Transfer， 2017， 46： 87-186.
40	国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会. 制冷系统及热泵用换热器温度、压力和速度三场协同的性能测试和评价方法：［S］. 北京：中国标准出版社， 2022： 1-14.
	State Administration for Market Regulation， Standardization Administration of the People’s Republic of China. Heat exchanger for refrigerating systems and heat pumps-Performance test and evaluation method based on three-field synergy of temperature， pressure and velocity fields：［S］. Beijing： Standards Press of China， 2022： 1-14. （in Chinese）
41	TONG Z X， ZOU T T， JIANG T， et al. Investigation of field synergy principle for convective heat transfer with temperature-dependent fluid properties［J］. Case Studies in Thermal Engineering， 2023， 45： 102926.
42	TONG Z X， LI M J， DING Y. A field synergy principle of velocity and pressure for flow resistance reduction［J］. Journal of Enhanced Heat Transfer， 2022， 29（1）： 55-73.
43	陶文铨. 传热学［M］. 6版. 北京：高等教育出版社， 2024.
	TAO W Q. Heat transfer［M］. 6th ed. Beijing： Higher Education Press， 2024 （in Chinese）.
44	WEBB R L. Performance evaluation criteria for use of enhanced heat transfer surfaces in heat exchanger design［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 1981， 24： 715-726.
45	BERGLES A E， BUNN R L， JUNKHAN G H. Extended performance evaluation criteria for enhanced heat transfer surfaces［J］. Letters Heat Mass Transfer， 1974， 1： 113-120.
46	LIU W， LIU Z C， MA L. Application of a multi-field synergy principle in the performance evaluation of convective heat transfer enhancement in a tube［J］. Chinese Science Bulletin， 2012， 57（13）： 1600-1607.
47	BEJAN A， PFISTER P A. Evaluation of heat transfer augmentation techniques based on their impact on entropy generation［J］. Letters in Heat and Mass Transfer， 1980， 7（2）： 97-106.
48	胡帼杰，过增元. 传热过程的效率［J］. 工程热物理学报， 2011， 32（6）： 1005-1008.
	HU G J， GUO Z Y. The efficiency of heat transfer process［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2011， 32（6）： 1005-1008 （in Chinese）.
49	FAN J F， DING W K， ZHANG J F， et al. A performance evaluation plot of enhanced heat transfer techniques oriented for energy-saving［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2009， 52（1-2）： 33-44.
50	JI W T， FAN J F， ZHAO C Y， et al. A revised performance evaluation method for energy saving effectiveness of heat transfer enhancement techniques［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2019， 138： 1142-1153.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

几何参数	取值	几何参数	取值
管外径d_o/mm	4.0	横向节距s₁/mm	7.3
管壁厚度Δd/mm	0.3	纵向节距s₂/mm	6.4/5.6
空气流速u_c/（m·s^-1）	100.0	换热器高度H/mm	72.0
横向管排数量N_T	34	纵向管排数量N_L	16

[1]	杨显赵, 刘高文, 郭令颖, 马佳乐, 林阿强. 高温降涡轮高位预旋供气系统设计[J]. 航空学报, 2025, 46(2): 130672-130672.
[2]	尹泽勇, 李概奇, 石建成, 银越千. 先进通用核心机派生发展的理念、方法及实践[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 29713-029713.
[3]	罗旭东, 吴一全, 陈金林. 无人机航拍影像目标检测与语义分割的深度学习方法研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 28822-028822.
[4]	黄维娜, 黎方娟, 祁宏斌. 航空发动机数字工程初步研究与发展思考[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529693-529693.
[5]	齐国宁, 吴宝海, 符江锋. 高速高压燃油齿轮泵典型卸荷槽对比分析[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529666-529666.
[6]	陈立芳, 孙亚冰, 周书华, 高强, 乔保栋, 李栋. 基于真实数据反演的风扇转子本机平衡方法[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 628321-628321.
[7]	马瑞贤, 王鑫, 王开明, 李斌, 廖明夫, 王四季. 航空发动机篦齿⁃橡胶涂层机匣碰摩实验[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 628350-628350.
[8]	胡明辉, 高金吉, 江志农, 王维民, 邹利民, 周涛, 凡云峰, 王越, 冯家欣, 李晨阳. 航空发动机振动监测与故障诊断技术研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 630194-630194.
[9]	肖袁, 冯坤, 胡明辉, 江志农. 航空发动机转子非稳态振动分量提取方法[J]. 航空学报, 2024, 45(3): 228158-228158.
[10]	洪志亮, 李煜, 何文博, 丁水汀. 热载荷下螺栓预紧力对非连续转子界面滑移特性影响[J]. 航空学报, 2024, 45(24): 230402-230402.
[11]	潘慕绚, 陆思蓉, 程珂, 李小涛. 航空发动机约束控制综述[J]. 航空学报, 2024, 45(23): 30533-030533.
[12]	王者, 王志平, 丁坤英, 张涛, 王远航. 某型航空发动机涡轮导向叶片热障涂层可靠性分析[J]. 航空学报, 2024, 45(22): 430141-430141.
[13]	梅英杰, 王大伟, 孙传智, 袁腊梅, 王晓明, 刘永猛. 基于增强现实的航空发动机机匣数字孪生测调系统[J]. 航空学报, 2024, 45(21): 629462-629462.
[14]	王泽生, 王辉, 张鹏飞, 杜立峰, 包宏强, 林东. 数字孪生驱动的航空发动机转子精密堆叠装配[J]. 航空学报, 2024, 45(21): 629759-629759.
[15]	马明瑞, 陈福振, 严红, 刘凡. 基于多分辨率SPH-FEM耦合方法的鸟撞问题数值模拟[J]. 航空学报, 2024, 45(21): 230116-230116.

飞行包线内空气换热器能力边界研究及进展

Research progress on performance boundary of air heat exchanger within flight envelope

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 8

参考文献 50

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价