面向发动机再生冷却的流热耦合拓扑优化

作     者：李新磊 吴坤 赵林英 范学军 Li Xinlei;Wu Kun;Zhao Linying;Fan Xuejun

作者机构：中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 西北工业大学机电学院西安710072 合肥中科重明科技有限公司合肥230601 

基　　金：广东省高水平创新研究院资助项目(2020B0909010003) 

出 版 物：《力学学报》 (Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics)

年 卷 期：2023年第55卷第11期

页      码：2661-2674页

摘      要：再生冷却作为一种主动热防护形式,被广泛应用于高超声速飞行器发动机的热防护系统.为了进一步提高再生冷却结构的换热性能,发展了考虑变热物理性质和输运性质的流热耦合拓扑优化设计方法.首先建立了流热耦合拓扑优化模型,基于连续伴随法对考虑变物性的伴随方程和灵敏度进行了推导,并利用开源计算平台OpenFOAM构建了拓扑优化求解器,耦合了滤波和投影等技术以缓解可能出现的数值问题,结合了建表-插值法对冷却剂物性和相关偏导项进行计算.随后对流热耦合结构进行了拓扑优化设计,结果表明:随着能量耗散约束值的增大,通道的拓扑结构愈加复杂,冷却通道内的流动分离和再混合现象更加显著.通过提取5种拓扑优化构型(Case 1~Case 5),对三维拓扑优化结构的流动换热特性进行了数值模拟分析,发现冷却剂的流动分离和再混合诱导产生复杂的二次涡结构,有助于激发湍动能,增强通道的局部换热性能.最终Case 3~Case 5中的拓扑优化构型相较于传统构型均起到了强化换热效果,平均努塞尔数增益百分比分别为12.6%,16.0%和23.4%.

主 题 词：再生冷却 变热物性 拓扑优化 流热耦合 伴随法 

学科分类：082502[082502] 08[工学] 0835[0835] 0825[工学-环境科学与工程类] 0701[理学-数学类] 

核心收录：

D　O　I：10.6052/0459-1879-23-276

馆 藏 号：203123972...