随着新型高速飞行器机动性与多态化作战能力要求的不断提升,机载热载荷不断攀升。为了降低机载热载荷,以自身携带的燃料作为冷源的“再生主动冷却技术”成为了研究热点[1-3]。当燃料流经布置多通道形式的换热槽道时,虽然能吸收发动机表面的热载荷[4],但可能会出现流动不稳定的问题。这种静态不稳定性一方面会使壁温超温,出现传热恶化现象;另一方面还会引起机械振动,严重影响运行安全。

Ledinegg在1938年研究流体的静态不稳定性时发现:在特定条件下,通道内部的压降-流量(Δp-m)曲线存在一负斜率区;在这个负斜率区内,通道内的压降不是流量的单值函数,而是一个压降值对应多个流量值,这种水动力学多值性也称为水动力学特性,相应的这条曲线称为水动力学特性曲线[5]。Padki等分析认为,水动力学多值性是静态不稳定性发生的必要条件,研究水动力学多值性对于避免静态不稳定性的发生具有重要意义[6]。因此,学者们对水动力学特性展开了大量研究,不断发现其存在于两相换热或相变的流动过程中,并且认为气泡的生长以及气液间比体积的剧烈变化是促使其存在的主要原因。其中:Boure、Ruspini等相继对两相流体的静态不稳定性进行了综述[7-8];Chiapero在水平加热管中的水动力学实验中发现了减小工作压力、流体入口温度或轴向的载荷分布可以加剧流体的水动力多值性[9-10];Zhang等人采用数值计算方法分析了水平微通道中的静态不稳定性,结果表明,增加通道内压力或通道管内径(后文简称管径)以及减小通道数量或通道长度这4种方式均能使水平管换热系统更为稳定[11]。

对于超临界流体的水动力学特性的存在性,学者们仍未达成共识。Mahmoudi在水平矩形通道内开展了超临界CO2自然循环的热力-水力研究,实验发现:该物质具有水动力学多值性;增加通道内压力或减小流体初始焓值均有利于水平矩形通道的稳定[12]。Swapnalee等同样在超临界水的自然循环实验中发现了水动力学多值性,并且认为流体密度的剧烈变化是促使其存在的原因[13]。Chatoorgoon利用线性理论分析了超临界CO2和水的静态不稳定性,发现二者在向下流动的通道中静态不稳定性更易发生[14]。近期,Guo等通过实验证实了吸热型碳氢燃料中水动力学多值特性的存在,并且指出,拟沸腾和化学裂解是促使其存在的主要原因[15]。然而,也有部分学者认为水动力学多值性在超临界流体中并不存在。Yu等基于数值模型[16]、Liu等采用实验手段[17],对超临界流体的自然循环进行了研究,结果均未发现循环回路中存在水动力学多值特性。熊挺等采用自编程序SCIA对并联双通道内的超临界水流动不稳定的动态特性进行了研究,未发现水动力学特性曲线存在负斜率区,认为静态不稳定很难发生[18]。

在水动力学特性的研究过程中,流动不稳定起始点(onset of flow instability,OFI)的发生机理以及判定准则一直以来是学者们关注的重点。因为掌握了OFI的出发机制以及判定准则,将寻求到抑制或避免流动不稳定性发生的方法。Whittle和Yu等认为,单通道流体水动力学特性曲线的最低点可视为OFI[19-20]。同样的观点也被学者们在多通道内的流量分配过程中采用[21-22]。目前,针对OFI的研究集中在不同条件下的两相流体中,得到了一些预测OFI的经验公式。Duffey等运用分析模型研究了竖直管道内的静态不稳定性,结果表明,OFI与热流密度之间存在着线性关系[23]。一些学者研究认为,利用Saha-Zuber关联式预测得到的OFI对应的质量流量更为准确[24-28]。Whittle等研究了在近似大气压力下,长方形和圆形管道内过冷沸腾时的压力损失,研究认为,对于给定的管长径比,OFI发生在一固定值R=(Tout-Tin)/(Tsat-Tin)(Tout、Tsat和Tin分别表示出口温度、饱和温度和入口温度)处,该值为管路温升与过冷度的比值[19]。Dougherty等对管长径比为100～150的竖直管内的静态不稳定性进行了实验研究,发现基于实验数据计算的参数Qr=qπDl/(mCpf(Tsat-Tin))(q表示热流密度,D和l分别表示管外径和管长量,m表示入口质量流量,Cpf表示比热容)与Whittle提出的R一致[29]。基于参数Qr,一些学者通过研究得到了不同的用于预测OFI的经验公式[30-31]。考虑到管道结构参数对于静态不稳定性的影响,Babelli等运用数学模型预测了低压条件下流体向下流动时的OFI,获得了包含管长的模型公式[19]。Stelling等通过实验研究提出了包含管长和管径两种结构参数的经验关联式[20]。

基于上述文献的研究基础,本文的研究内容分别从以下3个方面进行:(1)验证超临界流体水动力学特性的存在,给出明确的水动力学特性曲线;(2)探究影响超临界流体水动力学多值性以及OFI的主要因素;(3)结合实验数据并采用归一化方法,给出OFI的预测关联式,为设计超临界流体换热结构提供参考依据。