随着高超声速推进技术的快速发展，再生冷却技术作为解决超燃冲压发动机极端热负荷问题的关键手段，其重要性日益凸显。该技术以吸热型碳氢燃料作为冷却介质，利用燃料的高热沉特性对高温部件进行冷却，同时使燃料以更高温度进入燃烧室，从而提升燃烧效率。然而，在2至3兆瓦每平方米的高热流密度条件下，再生冷却通道内会出现严重的热分层现象，当壁面附近流体温度接近拟临界温度时，将引发传热恶化等问题。在此背景下，通过在冷却通道内布置强化换热结构以抑制传热恶化、提升冷却效率，已成为航空煤油应用领域的重要研究方向。V肋结构因其能够诱导二次流、增强主流与壁面间的质量交换而备受关注，但针对超临界压力下航空煤油在V肋通道内的流动换热特性，尚缺乏系统的研究数据。本文基于数值模拟方法，深入分析不同角度梯形V肋对超临界航空煤油流动换热性能的影响规律，为优化再生冷却通道设计提供理论依据。
《2025-2030年中国航空煤油行业发展趋势分析与未来投资研究报告》为准确预测航空煤油在超临界状态下的流动换热行为，首先需建立可靠的数值计算模型。研究选取RP-3航空煤油作为冷却介质，其热物性参数随温度变化呈现显著的非线性特征。在3.01兆帕压力下，航空煤油的密度、比热容、导热系数和粘度均随温度升高而发生剧烈变化，特别是在拟临界温度附近，比热容出现峰值，密度和粘度急剧下降。
计算模型采用矩形再生冷却通道，通道宽度和高度均为2.0毫米，壁厚0.5毫米，总长900毫米，分为入口段、加热段和出口段。加热段长度600毫米，单侧施加恒定热流密度1.75兆瓦每平方米。为研究不同肋片结构对航空煤油换热性能的影响，设置了等腰三角形直肋和等腰梯形直肋两种截面形状，其中梯形肋片的肋宽与肋高比为0.1，肋片间距与肋高比为15。
网格划分采用O型剖分方法进行结构化处理，对近壁面流体区域进行加密，确保第一层网格y+值不大于1，网格增长率控制在1.2。通过网格无关性验证，最终选用830万网格数量进行数值计算，此时出口流体平均温度与内壁面平均温度的相对误差小于1%。
湍流模型选用SST k-ω模型，该模型在预测超临界压力下碳氢燃料流动换热特性方面具有较好的精度。数值模拟采用压力求解器和SIMPLE算法，对控制方程进行二阶中心差分离散。入口边界设为质量流量入口，航空煤油质量流量为8千克每小时，入口温度373开尔文，入口雷诺数2630;出口设为压力出口，背压3.010兆帕。
为评估肋片结构对航空煤油换热性能的强化效果，研究首先对比了光滑通道、三角形直肋通道和梯形直肋通道内的流动换热特性。结果显示，三种通道内的努塞尔数沿程变化趋势一致，均在加热段入口处快速降低后先上升后下降再上升，表明航空煤油在不同通道内均经历了入口段传热恶化、第一次强化传热、第二次传热恶化和第二次强化传热四个阶段。
与光滑通道相比，三角形直肋和梯形直肋通道显著抑制了传热恶化现象。传热恶化发生位置从光滑通道的210毫米后移至430毫米处，恶化处壁面平均温度均在775开尔文左右。这主要是由于肋片对近壁面流体产生了扰动，提高了流体的湍流输运能力，强化了主流间的质量交换。同时，肋片增大了换热面积，增强了航空煤油与通道间的对流换热，使近壁面流体温度降低，从而抑制了传热恶化。
在压力损失方面，三角形和梯形直肋通道的压力损失均明显大于光滑通道，其中梯形直肋通道的损失相对较小。综合换热性能因子分析表明，三角形直肋通道的综合换热性能因子相对于光滑通道提高了21.23%，梯形直肋通道提高了31.76%。梯形直肋通道综合换热性能更高的原因在于其截面过渡更为光滑，压力损失相对较小，在换热增强与流动阻力之间取得了更好的平衡。
基于梯形直肋通道的优异性能，研究进一步探索了V肋角度对航空煤油流动换热特性的影响。通过对比90°、75°、60°和45°四种V肋角度，揭示了V肋诱导二次流强化换热的物理机制。
流场分析显示，90°V肋下游发展出两侧相对较小、中心相对较大的回流涡;而45°V肋下游两侧处形成低速二次旋流，中截面中形成相向的两个旋流。这是由于肋片破坏了底壁附近的粘性底层，使壁面附近流体发生分离现象。90°V肋仅对肋片附近流体产生影响，而45°V肋使流体产生二次流，二次流扰动远离壁面流体，扩大了肋片扰动范围，产生旋流。
45°V肋底壁传热系数分布呈现典型的"心"形分布，这是由于V肋诱导航空煤油产生二次流，使流体再附着位置集中，大大提高了集中位置处流体的湍流输运能力，显著增强了航空煤油与固壁间的对流换热，形成高换热区。
温度场分布显示，V肋角度越小，截面流体温差越小，这是由于二次流强度随V肋角度减小而增大，使流体掺混更加充分。不同角度V肋通道的流体平均温度相同，内壁面平均温度变化趋势相似，随V肋角度的减小，沿程内壁面平均温度越低。流体平均温度相同是因为肋片形状改变不会改变流体所受的总热量。
努塞尔数沿程变化表明，随V肋角度的减小，努塞尔数下降趋势愈发不明显，说明V肋角度越小，流体混合愈发充分，截面温差愈小，传热恶化现象显示越不明显，强化换热范围得到增强。但由于产生高换热区，肋后有局部高温流体区，传热恶化开始位置前移。
综合换热性能因子对比结果显示，不同角度梯形V肋通道的综合换热性能因子与光滑通道相比分别提高了31.76%(90°)、63%(75°)、66.4%(60°)和96.05%(45°)。数据表明，梯形V肋角度越小，通道综合换热性能越好，其中45°梯形V肋的综合换热性能最佳。
这一规律的形成机制在于：减小V肋角度能够有效增强二次流强度，扩大流体扰动范围，促进主流与壁面流体间的质量交换，从而强化对流换热。同时，较小的V肋角度使肋片结构更加平缓，在一定程度上缓解了流动阻力的急剧增加，实现了换热增强与压力损失之间的优化平衡。
值得注意的是，虽然45°V肋通道的综合换热性能最优，但传热恶化开始位置相对前移，这在实际工程应用中需要予以关注。在设计再生冷却通道时，应根据具体的热流密度分布和冷却需求，合理选择V肋角度，以兼顾换热强化效果和传热安全性。
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