环形CW型原表面回热器通道流动换热及熵产特性分析.pdf

环环形形 C CWW 型原表面回热器通道流动换热及型原表面回热器通道流动换热及熵产特性分析熵产特性分析吴延龙1，谢文棋2，俞建阳2，谢维潇2（1.中国空间技术研究院，北京100094；2.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001）摘要：着眼于提升临近空间可重复使用航天器的能源利用效率，文章探究环形 CW 型原表面回热器通道流动换热与熵产特性。以其换热单元体为研究对象，采用 k-湍流模型和周期性边界条件，通过分析回热器流道出口截面的速度和温度参数分布，讨论了冷热侧进口参数（雷诺数、温度）对回热器流动特性与换热性能的影响。结果表明，增大雷诺数会使冷热侧出口截面温度降低、速度提升，形成中心涡，使流道侧壁摩擦阻力及压力损失增大，导致回热器换热性能下降。熵产分析验证了此结论：随雷诺数增大，换热单元总熵产率增大。雷诺数不变时，改变冷热侧进口温度，结合面优度系数和总熵产率的综合变化，得到回热器的最佳工作温度为燃气进口温度 874.8K、空气进口温度 485.6K。关键词：CW 型原表面回热器；数值模拟；体换热性能；熵产分析；回热模型中图分类号：O551.3;V43文献标志码：A文章编号：1673-1379(2023)04-0338-11DOI:10.12126/see.2023089Analysis of flow heat transfer and entropy generation characteristics ofannular CW primary surface recuperator channelWUYanlong1,XIEWenqi2,YUJianyang2,XIEWeixiao2(1.ChinaAcademyofSpaceTechnology,Beijing100094,China;2.SchoolofEnergyScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Withaviewtoimprovingtheenergyutilizationefficiencyofreusablespacecraftinthenearspace,thecharacteristicsofflowheattransferandentropygenerationinthechanneloftheannularCWprimarysurfacerecuperatorwereinvestigated.Takingitsheatexchangeunitastheresearchobject,thek-turbulentmodelandtheperiodicboundaryconditionswereappliedtodiscusstheeffectsoftheinletparameters(i.e.theReynoldsnumberandtemperature)ontheflowcharacteristicsandheattransferperformanceoftheregeneratorbyanalyzingthevelocityandtemperaturedistributionsoftheoutletsectionoftheregeneratorchannel.TheresultsshowthatincreasingtheReynoldsnumberwillreducethetemperatureandincreasethevelocityoftheoutletsectionofthecoldandhotsides,untilacentralvortexisformed,whichwillincreasethefrictionresistanceand pressure loss of the side wall of the flow channel,thus reduce the heat transfer performance of theregenerator.The entropy generation analysis verified that,with the increase of Reynolds number,the totalentropyyieldincreased.WhentheReynoldsnumberwasconstant,bychangingtheinlettemperatureofthecoldandhotsidesandcombinedwiththecomprehensivechangesofthesurfacegoodnesscoefficientandthetotalentropyyield,theoptimalworkingtemperatureoftheregeneratorcanbe874.8Kforthegasinletand485.6Kfortheairinletrespectively.Keywords:CWprimarysurfacerecuperator;numericalsimulation;bodyheattransferperformance;entropygenerationanalysis;regenerativemodel收稿日期：2023-03-10；修回日期：2023-07-28基金项目：国家自然科学基金项目（编号：52006045）；黑龙江省自然科学基金项目（编号：LH2021E062）引用格式：吴延龙,谢文棋,俞建阳,等.环形CW型原表面回热器通道流动换热及熵产特性分析J.航天器环境工程,2023,40(4):338-348WU Y L,XIE W Q,YU J Y,et al.Analysis of flow heat transfer and entropy generation characteristics of annular CW primarysurface recuperator channelJ.Spacecraft Environment Engineering,2023,40(4):338-348Vol.40,No.4航天器环境工程第40卷第4期338SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2023年8月https:/E-mail:Tel:[phone] 引言引言天地往返技术使得可重复使用航天器在完成空间任务后能安全返回地球，实现往返于空间与地球表面的多次循环利用。微型燃气轮机凭借其紧凑尺寸、轻量化设计和高效能表现，在天地往返任务中具有极佳的应用前景。在保持微型燃气轮机整体部件基本不变的前提下，回热器的应用有助于进一步提升燃气轮机的热力循环效率。这将优化航天器在临近空间环境中的能源利用，进而提高天地往返任务的效率与可靠性。目前常见的回热器结构有板翅型回热器、管式回热器和原表面型回热器，其中原表面回热器在生产工艺的成熟性及换热性能等方面表现更优1。CW型原表面回热器的冷热侧工质分别为空气和燃气，燃气经金属隔板预热压气机空气；回热器采用 180相位差波纹板堆叠，以增强流体运动扰动、提高换热效能2。针对 CW 型原表面回热器开展其最佳工作状态点性能研究，对促进其在工程领域的应用具有重要作用。本文以 CW 型原表面回热器2为对象，采用数值计算方法，通过调整进口参数（雷诺数、温度）来研究回热器出口截面温度场、速度场的变化规律，探讨提高回热器换热效能的方法，确定多个优良工作点；并通过熵产分析对比各工作点，得出回热器最佳工作状态点。1 数值计算方法数值计算方法本节阐述有关数值计算方法的技术基础，包括模型构建，周期性边界条件、参数定义，以及网格划分方法。1.1模型构建回热器单元体的精确描述对研究温度场与速度场分布至关重要。CW 原表面回热器结构复杂，模拟整个结构会耗费大量计算资源，故受计算局限，数值计算中常选用简化的 CW 型通道，以对流换热单元体为主研究对象。建立回热器几何模型如图 1 所示，流动方位上波纹曲线节距为 P、宽度为H、长度为 L、波幅为 A3。HPLA图1回热器几何模型Fig.1Geometricmodeloftheregenerator环形 CW 回热器内部具有复杂的空气和燃气通道，导致模拟困难。考虑燃气和空气输入端对传热特性影响较小，可通过多个重复 CW 管道单元模拟回热器传热特性4。因此，构建包含重复单元的空气和燃气流道三维数值模型，并将空气和燃气通道壁厚设为传热板厚的 0.5 倍，使外部空气切割形成的固体区域呈周期性5。主流方向上，给定速度周期性边界和温度周期性边界，如图 2 所示，其进出口截面间的关系为6：uin(x,y,z)=uout(x,y,z+L)；(1)Tin(x,y,z)TwTb(z)Tw=Tout(x,y,z+L)TwTb(z+L)Tw。(2)式中：uin(x,y,z)和 Tin(x,y,z)分别为流体进口截面某处的速度和温度；Tb(z)为进口截面平均温度；uout(x,y,z+L)和 Tout(x,y,z+L)分别为流体出口截面某处的速度和温度；Tb(z+L)为出口截面平均温度；Tw为换热壁面温度。周期性边界条件周期性边界条件相邻两流道之间存在的空隙周期性边界条件流动方向F1bF2bF2aF1a图2周期性边界条件Fig.2Periodicboundaryconditions另外，把中间界面划分为 4 个区域（F1a、F1b、F2a、F2b），并对其相同形状的中间截面施加周期性边界条件。而分割后每个部位的流动速度和温度应当符合下列要求7：uF1a=uF1b，uF2a=uF2b；(3)TF1a=TF1b，TF2a=TF2b。(4)uF1auF2auF1buF2bTF1aTF2aTF1bTF2b式中：、分别为面 F1a、F1b、F2a、F2b上的速度，m/s；、分别为面F1a、F1b、F2a、F2b上的温度，K。第4期吴延龙等：环形 CW 型原表面回热器通道流动换热及熵产特性分析339因 CW 型流动通道特殊且复杂，需做如下假设：物性随温度变化；除输入、流出外，无物质和热量交换；总质量流量在横截面上恒定；换热单元内已稳态，无须初始条件；忽略壁面厚度及质量8。针对本文所研究的换热单元，设壁面边界条件为无物质交换，给定具体温度；设进口边界条件为质量流量进口，通过调整质量流量改变雷诺数，给定进口温度测定物性参数；设出口边界条件为压力出口，与大气环境温度、压力相同9。1.2参数定义为了评估回热器的传热性能，对于最小的热交换单元回热器的单通道流动模型，本节定义了如下流动和热交换参数10。当量直径 De=4Ai/Si，其中：Ai为单元进（出）口截面面积，mm2；Si为截面周长，mm。雷诺数 Re=(UavDe)/，其中：为流体密度，kgm-3；Uav为流体在垂直截面方向上的平均速度，m/s；为流体的动力黏度，Pas。质量流量 q=(ReAi)/De。换热系数 h=Q/(TAw)，其中：Q 为换热量，W；T 为流体与壁面的对数平均温差11，T=(TmaxTmin)/ln(Tmax/Tmin)，Tmax和Tmin分别为进口温差和出口温差的最大值与最小值，K；Aw为换热面积，mm2。表征流体与壁面换热能力的努塞尔数 Nu=(hDe)/f，其中 f为流体的导热系数，W/(m2K)。科尔伯恩换热系数 j=Nu/(RePr0.5)，其中 Pr 为流体普朗特数。进出口压力降P=PinPout，其中 Pin和 Pout分别为进口和出口静压，Pa。表征流体压力损失的范宁摩擦系数 f=(PDe)/(0.5LUav2)。面优度系数 Ga（areagoodnessfactor）是换热系数 j 和摩擦系数 f 的比值，Ga=j/f，该值越大，换热器的表面特性越好12。传热熵产率13Sg,T=effT2(Tx)2+(Ty)2+(Tz)2，(5)其中 eff为有效导热系数（等于导热系数 和湍流热导率 cpt/t之和）。摩擦熵产率14Sg,P=effT22(ux)2+(vz)2+(uz)2+(wx)2，(6)其中 eff为有效黏度。总熵产率 Sg=Sg,T+Sg,P。相应地，传热无量纲熵产率Ng,T=yVSg,TD2edV；(7)摩擦无量纲熵产率Ng,P=yVSg,PD2edV；(8)总无量纲熵产率Ng=yVSgD2edV。(9)1.3网格划分及独立性验证本文利用 GAMBIT 软件分析网格并验证网格独立性。通过 8 组网格数，研究努塞尔数 Nu 与摩擦系数 f 随网格数目变化关系，见图 3。可以看到，随网格总量的增加，Nu 和 f 逐渐增长，网格总量超过 19 万后增长速度趋缓，故认为超过 19 万的网格数可满足数值模拟条件。为节约运算成本并保证效果，规划网格时可将换热单元体网格数限制在19 万左右。4.24.03.83.6NuNuff3.43.23.01.21051.41051.6105The number of grids1.81052.01052.21050.0260.0240.0220.0200.0180.016图3网格无关性验证Fig.3Gridindependenceverification 2 冷热侧进口参数对换热单元体性能影响冷热侧进口参数对换热单元体性能影响研究研究CW 型原表面回热器以高紧凑度为特点，流体在流道中不断旋转并伴随二次流，从而实现优越的换热性能。冷热侧不同进口参数是影响换热单元体性能的主要因素，因此，本文依据数值计算模型，深340航天器环境工程第40卷入研究主要进口参数（雷诺数和温度）对换热单元体性能的影响规律15，探讨雷诺数在 1002000 范围内的换热单元体内部流动和换热情况，分析不同雷诺数下的温度场和速度场分布。2.1雷诺数对换热单元体性能的影响2.1.1对温度场的影响图 4 为不同雷诺数下换热单元出口截面的温度分布，空气和燃气侧进口温度分别为 455.7K 和819.12K。由图可见，空气与燃气通道16出口截面的温度均为上下侧呈反对称分布，空气通道截面温度外围高于中央，燃气通道中央高于外围。这是因为流体在弯曲流道中冲击侧壁，形成较薄的边界层，换热效果提高；而未受冲击的侧壁流速较低，边界层较厚，换热效果较差。随着雷诺数的增大，空气和燃气通道温度分布均变得不规则。这是因为在低雷诺数下，流动较稳定，换热较均匀，截面温度逐渐降低；雷诺数增大时，流动复杂，空气侧低温区扩展，导致截面平均温度降低，而燃气侧高温区同样扩展，导致截面平均温度升高。781.979781.600781.789785.200785.011784.821784.632784.442784.253784.063783.874783.684783.495783.305783.116782.926782.737782.547782.358782.168Totaltemperature/K770.000768.526767.053765.579764.105762.632761.158759.684758.211756.737755.263753.789752.316750.842749.368747.895746.421744.947742.000743.474Totaltemperature/K760.000756.842753.684750.526747.368744.211741.053737.895734.737731.579728.421725.263722.105718.947715.789712.632709.474706.316700.000703.158Totaltemperature/K514.000512.526511.053509.579508.105506.632505.158503.684502.211500.737499.263497.789496.316494.842493.368491.895490.421488.947486.000487.474Totaltemperature/K565.000561.316557.632553.947550.263546.579542.895539.211535.526531.842528.158524.474520.789517.105513.421509.737506.053502.368495.000498.684Totaltemperature/K590.000585.263580.526575.789571.053566.316561.579556.842552.105547.368542.632537.895533.158528.421523.684518.947514.211509.474500.000504.737Totaltemperature/KRe=103.70Re=850.18Re=1665.85Re=103.70Re=850.18Re=1665.85(a)空气侧出口(b)燃气侧出口图4不同雷诺数下换热单元出口截面温度分布Fig.4TemperaturedistributionsatoutletsectionoftheheattransferunitunderdifferentReynoldsnumbers2.1.2对速度场的影响图 5 为不同雷诺数下换热单元出口截面的速度分布。可以看到，随着雷诺数的增大，空气与燃气通道的出口速度均增大，形成不同大小的二次流动，如顶部涡和中心涡，上下侧呈反对称分布。雷诺数接近 800 时，中心涡分裂，速度分布更复杂。当雷诺数超过 1500，上下端部分出现小型流动涡，流线更密集17。随着雷诺数增大，中心涡面积扩大，对内部流场影响增大，导致端部流速快而中心涡速度较慢。这是由于流体与涡心质量转换产生扰动，引发涡旋；雷诺数越大，扰动越强，对速度场的影响越大18。4.03.83.63.43.22.83.02.62.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.2Magnitude velocity/(ms-1)Re=103.70403836343228302624222018161412108642Magnitude velocity/(ms-1)Re=850.1870.000066.578963.157959.736856.315849.473752.894746.052642.631639.210535.789532.368428.947425.526322.105318.684215.26328.4210511.84215.00000Magnitude velocity/(ms-1)Re=1665.855.200004.936844.673684.410534.147373.621053.884213.357893.094742.831582.568422.305262.042111.778951.515791.252630.9894740.4631580.7263160.20000Magnitude velocity/(ms-1)Re=103.7034.000032.315830.631628.947427.263223.894725.578922.210520.526318.842117.157915.473713.789512.105310.42118.736847.052633.684215.368422.00000Magnitude velocity/(ms-1)Re=850.1842403836343032282624222018161412106842Magnitude velocity/(ms-1)Re=1665.85(a)空气侧出口(b)燃气侧出口图5不同雷诺数下换热单元出口截面速度分布Fig.5VelocitydistributionsatoutletsectionoftheheattransferunitunderdifferentReynoldsnumbers2.1.3对换热和阻力特性影响的综合分析图 6 为雷诺数对换热单元流动换热特性的影响曲线15，并给出本文数值模拟结果与文献 15 结果的比较。可以看到，本文模拟结果虽然与文献结第4期吴延龙等：环形 CW 型原表面回热器通道流动换热及熵产特性分析341果存在差异，但平均偏差只有 7.8%，表明本文数值模拟结果具有参考价值。且本文在文献 15 的基础上，将雷诺数变化范围拓展为 1002000 进行了数值模拟（见图 7）。由图 7(a)曲线可知，努塞尔数Nu 的总体平均值随着雷诺数的增大而上升。这是因为流体沿通道流动速度加快，导致二次流增强，而 Nu 代表气体对流热量与传导热能之比，所以对流越强，Nu 越高19。由图 7(b)曲线可知，随着雷诺数的增大，传热系数 j 逐步降低：雷诺数在 100600范围时，j 的降低速度较快；而当雷诺数大于 600 时，j 的降低速度减缓。从曲线综合分析可知，雷诺数越大，流动情况越复杂，换热效果越差。由图 7(c)曲线可知，摩擦系数 f 随着雷诺数的增大而减小。这是由于随着雷诺数的增大，流体沿通道运动方向变得更剧烈，湍流程度逐渐增加，同时压降也逐渐变大，从而导致摩擦系数减小20。4.03.53.02.52.01.51.050100150200数值模拟结果Re(a)努塞尔数 Nu 的变化(b)传热系数 j 的变化(c)摩擦系数 f 的变化Nu2503000.0120.0100.0080.0060.0040.002050100150200Rej2504003500.0350.0300.0250.0200.0150.0100.0050200400600数值模拟结果Ref8001000文献15结果文献15结果文献15结果数值模拟结果图6雷诺数对回热器流动换热特性影响曲线（本文数值模拟结果与文献 15 结果对比）Fig.6CurveofflowheattransferofregeneratoragainstReynoldsnumbers(comparisonofnumericalsimulationresultsbetweenthispaperandRef.15)9876543210500100015002000ReNu(a)努塞尔数 Nu 的变化0.0350.0300.0250.0200.0150.0100.0050500100015002000Ref(c)摩擦系数 f 的变化0.0200.0180.0160.0140.0120.0100.0080.0060.0040.0020500100015002000Rej(b)传热系数 j 的变化图7雷诺数对回热器流动换热特性影响曲线（本文拓展雷诺数变化范围 1002000）Fig.7CurveofflowandheattransferofregeneratoragainstReynoldsnumbers(Reynoldsnumberrangefrom100to2000)图 8 为面优度系数 Ga随雷诺数变化关系曲线。可以看出，面优度系数随雷诺数的增大而降低。本文数值模型的最佳换热雷诺数约为 100，与参考文献结果相似。0.180.160.140.120.100.080.0605001000ReGa15002000图8面优度系数 Ga随雷诺数变化关系曲线Fig.8Curve of area goodness coefficient Ga againstReynoldsnumbers随着雷诺数增大，流体流动方向变得剧烈，湍流效应加强，导致二次流动增强和压降变大。尽管进口质量流量增加且速度逐步提高，但摩擦系数减小，使得综合换热系数下降，回热器的换热性能降低21。2.2进口温度对换热单元体性能的影响2.2.1对温度场的影响以实验数据作为数值模拟基础，通过控制雷诺数不变，仅改变冷热侧进口温度，研究进口温度对换热单元体温度场的影响，结果见表 1 及图 9。表 1中设置了 10 组冷热侧进口温度，依次编序为 T1T10。从图 9 可见，冷热侧进口温度降低时，燃气和空气通道出口截面平均温度降低，空气通道截面中342航天器环境工程第40卷央蓝色低温区域呈现扩散成长条状趋势，而燃气通道出口截面温度分布基本保持不变。因此，在雷诺数一定的情况下，降低进口温度会导致冷热侧出口温度降低，但温度分布情况基本不受影响。表1冷热侧进出口温度数据Table1Temperaturesatinletandoutletofcoldandhotsides温度组序号空气侧进口温度Tair-in/K燃气侧进口温度Tgas-in/K空气侧出口温度Tair-out/K燃气侧出口温度Tgas-out/KT1458.75159874.97928861.34747522.88694T2449.52294845.04433832.56957509.81545T3440.92114823.41295808.58420498.93590T4432.18401807.94724795.55237488.89698T5424.00987796.92179783.79809479.78059T6415.85448789.61857775.08993471.24973T7407.76776785.34854770.90641463.62311T8399.03753781.97867766.51855455.60728T9390.40019781.68419765.10453448.55251T10382.48611787.94990773.21755442.74834867.000866.368865.737865.105864.474863.842863.211862.579861.947861.316860.684859.421858.789858.158857.526856.895856.263855.632855.000860.053Totaltemperature/KTair-in=440.92 K789.000788.474787.974787.421786.895786.368785.842785.316784.789784.263783.737782.684782.158781.632781.105780.579780.053779.526779.000783.211Totaltemperature/KTair-in=424.01 K779.000788.421777.842777.263776.684776.105775.526774.947774.368773.789773.211772.053771.474770.895770.316769.737769.158768.579768.000772.632Totaltemperature/KTair-in=407.77 K550.000546.842543.684540.526537.368534.211531.053527.895524.737521.579518.421512.105508.947505.789502.632499.474496.316493.158490.000515.263Totaltemperature/KTgas-in=823.41 K500.000497.632495.263492.895490.526488.158485.789483.421481.053478.684476.316471.579469.211466.842464.474462.105459.737457.368455.000473.947Totaltemperature/KTgas-in=796.92 K465.000462.368459.737457.105454.474451.842449.211446.579443.947441.316438.684433.421430.789428.158425.526422.895420.263417.632415.000436.053Totaltemperature/KTgas-in=785.35 K(a)空气侧出口(b)燃气侧出口图9换热单元出口截面温度分布随进口温度变化情况Fig.9Temperaturedistributionsatoutletsectionoftheheattransferunitagainstinlettemperatures2.2.2对速度场的影响图 10 为换热单元出口速度分布随进口温度变化情况，可以看到：空气侧出口截面水平速度分布复杂，红色高速区向两端扩散，进口温度降低时，顶部圆弧涡流逐渐消失；与之对照，燃气侧出口截面速度分布复杂，红色高速区面积先扩大后减小，顶部涡流同样逐渐消失。6.500006.184215.868425.552635.236844.605264.921054.289473.973683.657893.342112.710533.026322.394742.078951.763161.447371.131580.8157890.50000Magnitude velocity/(ms-1)Tair-in=440.92 K7.500007.131586.713166.394746.026325.289475.657894.921054.552634.184213.815793.078953.447372.710532.342111.973681.605261.236840.8684210.50000Magnitude velocity/(ms-1)Tair-in=424.01 K7.500007.131586.713166.394746.026325.289475.657894.921054.552634.184213.815793.078953.447372.710532.342111.973681.605261.236840.8684210.50000Magnitude velocity/(ms-1)Tair-in=407.77 K9.59.08.58.07.56.57.06.05.55.04.53.54.03.02.52.01.51.00.5Magnitude velocity/(ms-1)Tgas-in=823.41 K9.000008.552638.105267.657897.210536.315796.763165.868425.421054.973684.526323.631584.078953.184212.736842.289471.842111.394740.9473680.500000Magnitude velocity/(ms-1)Tgas-in=796.92 K10.09.59.08.58.07.07.56.56.05.55.04.04.53.53.02.52.01.51.00.5Magnitude velocity/(ms-1)Tgas-in=785.35 K(a)空气侧出口(b)燃气侧出口图10换热单元出口速度分布随进口温度变化情况Fig.10Velocitydistributionsatoutletsectionoftheheattransferunitagainstinlettemperatures第4期吴延龙等：环形 CW 型原表面回热器通道流动换热及熵产特性分析3432.2.3对换热和阻力特性影响的综合分析图 11 为冷热侧进口温度对换热单元流动换热特性的影响曲线22-23，其中横坐标为表 1 给定的温度组序号（T1T10）。由图可见，随进口温度的降低，换热系数 j 和摩擦系数 f 均减小。其原因是，在固定雷诺数下，降低温度将减弱流体内部扰动，降低回热器的换热效能及壁面换热阻力。要全面评估进口温度的影响，还需分析面优度系数 Ga24，以判断回热器综合性能变化。如图 11(c)所示，当冷热侧进口温度降至一定值，回热器换热效率逐渐提升，此时摩擦系数降幅较大，影响力大于换热系数，使综合换热性能提升；而进一步降温后，摩擦系数降幅减小，影响力小于换热系数。由此可得，本文数值模型中，回热器最佳工作温度范围：燃气进口温度 874.98785.34K，空气进口温度 458.75407.77K。此结论可为 CW 型原表面回热器设计与优化提供参考。0.0300.0250.0200.0150.0100.0050j温度组序号(a)换热系数 j 的变化T2T1T4T3T6T5T8T7T10T90.0130.0120.0110.0100.0090.0080.0070.0060.005f温度组序号(b)摩擦系数 f 的变化T2T1T4T3T6T5T8T7T10T90.0130.0120.0110.0100.0090.0080.0070.0060.005Ga温度组序号(c)面优度系数 Ga 的变化T2T1T4T3T6T5T8T7T10T9图11换热系数、摩擦系数及面优度系数随进口温度变化曲线Fig.11Heattransfercoefficient,frictioncoefficientandareagoodnesscoefficientagainstinlettemperatures 3 CW 型通道流固耦合换热熵产性能研究型通道流固耦合换热熵产性能研究回热器作为高耗能领域的常用换热设备，熵产性能研究成为对其进行评估的一种有效方法，可以比较不同回热器热能综合利用效率并指导设计。分析 CW 型原表面回热器数值模型内部流动通道熵产特性，对帮助回热器降低热能损失、提升换热性具有重要意义24。3.1雷诺数对换热单元体燃气通道内熵产率的影响3.1.1对传热熵产率的影响图 12 为传热熵产率随雷诺数变化的不同分布情况，其中燃气通道进口温度给定为 455.7K，空气通道进口温度给定为 819.12K。从图中可以看出，空气侧和燃气侧的进口传热熵产率 Sg,T均为 0，并沿着气流流动方向逐步增大。这是因为进口附近的温度梯度较小，且沿着流动方向的温度梯度逐步增大25。燃气进口空气进口Re=260 Re=634 Re=850Re=1121Re=1448 Re=260 Re=634 Re=850 Re=1121 Re=14480Sg,T:10020030040050060070080090010002000300040005000600070008000900010000图12传热熵产率分布随雷诺数变化情况Fig.12VariationofheattransferentropyyielddistributionswithReynoldsnumbers3.1.2对摩擦熵产率的影响图 13 为摩擦熵产率随雷诺数变化的不同分布情况。从图中可以看出：通道壁面附近的摩擦熵产率高于通道中心处，而且沿着流动方向逐渐减小；燃气通道壁面附近的摩擦熵产率比空气通道更高，原因在于空气密度大于燃气密度，且空气流动速度远低于燃气流动速度26。随着雷诺数增大，空气侧和燃气侧的摩擦熵产率 Sg,P均上升，通道中心的低摩擦熵产率区域逐渐消失，变为高摩擦熵产率区域（Sg,P100）。当雷诺数大于 1000，空气侧整个流道变为高摩擦熵产率区域；燃气侧摩擦熵产率变化略慢，雷诺数超过 1600 时，燃气侧高摩擦熵产区域（Sg,P100）面积约占 75%。燃气和空气通道中344航天器环境工程第40卷的 Sg,P随雷诺数增大的变化相似，且壁面附近的变化速率高于通道中心。这是因为壁面附近的 Sg,P对雷诺数变化敏感，速度梯度增大导致 Sg,P上升27。Sg,P:0123456789102030405060708090100燃气进口空气进口Re=103 Re=260 Re=419 Re=634 Re=1448Re=103 Re=260 Re=419 Re=634 Re=1448图13摩擦熵产率分布随雷诺数变化情况Fig.13VariationoffrictionentropyyielddistributionswithReynoldsnumbers3.1.