研究进展
大连理工大学东明&穆林AST：非均匀热负荷条件下点阵夹芯结构流量分配与传热特性研究
研究比较了展向非均匀热流分布条件下点阵夹芯结构与传统并联矩形通道结构在流量均匀性、壁面温度、传热路径、局部传热性能及综合热工水力表现等方面的差异。结果表明，点阵夹芯结构依靠其内部连通特性维持了各子通道间的压力平衡，在改善入口流量分配的同时有效地降低了热防护结构受热侧的壁面温度，并表现出较好的综合性能。
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- 2026年10月21日
- 作者
转自 能源动力转换与利用课题组
近日，课题组博士研究生王金兆、东明教授以及穆林副教授等，针对非均匀热流条件下3D-Kagome点阵夹芯结构内超临界压力碳氢燃料的流量分配与传热特性开展了数值研究。研究比较了展向非均匀热流分布条件下点阵夹芯结构与传统并联矩形通道结构在流量均匀性、壁面温度、传热路径、局部传热性能及综合热工水力表现等方面的差异。结果表明，点阵夹芯结构依靠其内部连通特性维持了各子通道间的压力平衡，在改善入口流量分配的同时有效地降低了热防护结构受热侧的壁面温度，并表现出较好的综合性能。相关研究成果在航空航天科学与工程领域著名国际学术期刊AEROSPACE SCIENCE AND TECHNOLOGY (IF 6.4 宇航1区 Top）发表，题为“Study on flow distribution and heat transfer characteristics of lattice sandwich structure under non-uniform heat flux conditions”。
论文信息
论文题目：
Study on flow distribution and heat transfer characteristics of lattice sandwich structure under non-uniform heat flux conditions
论文作者：
Jinzhao Wang, Jie Gao, Hang Pu, Biao Yuan, Haotian Chang, Yonghui Chen, Yan Shang, Lin Mu*, Ming Dong*
第一单位:
School of Energy and Power Engineering, Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, PR China
期刊名：
Aerospace Science and Technology
关键词：
Lattice sandwich structure; Supercritical pressure; Hydrocarbon fuel; Non-uniform heat flux; Convective heat transfer
研究背景：
超燃冲压发动机是高超声速飞行器的核心动力装置。随着飞行马赫数提高，强烈的气动加热与燃烧释热可使燃烧室壁面承受106~107 W·m-2量级的热流密度，对热防护系统的可靠性提出了严峻挑战。再生冷却利用机载碳氢燃料吸收燃烧室壁面热量，并将受热燃料送入燃烧室参与燃烧，是实现燃烧室主动热防护的重要技术。冷却过程中，碳氢燃料通常处于超临界压力，其热物性在拟临界温度附近发生剧烈变化，可能诱发传热恶化与流动不稳定等复杂流动传热现象。此外，燃烧室壁面热流通常呈非均匀分布，易导致局部温升、流量失配及热应力集中。3D-Kagome点阵夹芯结构具有轻质、高比强度和高比刚度等特点，在增强结构承载与抗变形能力的同时，其开放且相互连通的三维流道可强化流体扰动与混合，为实现燃烧室轻量化、承载与高效冷却的一体化设计提供了新的解决方案。
研究选取传统并联矩形通道和3D-Kagome点阵夹芯结构作为对比对象，在相同几何尺寸、入口状态和平均热流密度下开展流-固共轭传热数值仿真。除均匀热流工况外，研究设置了线性分布、展向中心峰值和75%展向位置峰值三种非均匀热流分布。四种工况的平均热流密度均为2 MW·m-2，其中qw1为均匀热流，qw2~qw4为三种典型展向非均匀热流分布。通过比较各子通道主流温度、压力和速度沿流动方向的变化规律，揭示非均匀热负荷下的入口流量偏差机制；进一步结合加热壁面温度、热量传递路径、流体域受热侧局部温度及Nusselt数分布，阐明点阵结构的强化传热特性；最后采用平均Nusselt数、摩擦因子和传热因子评价其综合热工水力表现。
图1 并联矩形通道与3D-Kagome点阵夹芯结构示意图
图2 展向热流密度分布示意图
主要内容
01
得益于内部相互连通的特性，点阵夹芯结构能够在非均匀热流条件下维持冷却结构内部的压力平衡，减弱子通道间的入口流量偏差。在三种典型非均匀热流工况下，各子通道的燃料入口流量均接近5 g·s-1，其流量分配均匀性较并联矩形通道结构显著提高。
图3 不同展向热流分布条件下子通道入口流量
02
点阵夹芯结构表现出更优的传热性能。在不同热流分布条件下，与并联矩形通道结构相比，其受热侧最高壁面温度、平均壁面温度以及壁面温度标准差的最大降幅分别为10.09%、11.40%和56.86%。上述温度降低有利于提高热防护结构在实际应用中的可靠性。通过分析流体域受热侧壁面的局部平均温度(Tavg,bw)和局部平均Nusselt数(Nuavg,bw)可知，在并联矩形通道结构中，承受较高热流的子通道具有较低的Nuavg,bw和较高的Tavg,bw。由于点阵胞元强化了传热，点阵夹芯结构的Tavg,bw低于并联矩形通道结构，而Nuavg,bw高于并联矩形通道结构，且各子通道之间的Tavg,bw差异更小。
图4 不同展向热流分布条件下受热壁面温度
03
点阵夹芯结构在强化传热的同时不可避免地会带来更大的流动阻力损失。然而，在所采用的评价准则下，其热工水力性能指标更高，传热因子约比并联矩形通道结构提高21%。鉴于其具有显著的局部传热强化能力，但伴随较高的流动阻力，该结构在实际工程中更适合针对性应用于燃烧室局部高热负荷区域的热防护，以兼顾局部冷却能力与系统整体压降。
图5 不同展向热流分布条件下Nuavg,fsi, f和γ的计算结果
结论
本文采用数值模拟的方法研究了非均匀热流条件下碳氢燃料在点阵夹芯结构中的跨临界传热特性。通过在相同运行条件下，将点阵夹芯结构与并联矩形通道结构的数值结果进行对比，验证了点阵夹芯结构在改善入口流量分配均匀性、降低热防护系统壁面温度以及改善温度分布均匀性方面的优势。在此基础上，进一步分析了流体域受热侧壁面的局部传热性能，揭示了各子通道的传热特性，为点阵主动热防护结构的工程设计提供了理论支撑。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ast.2026.113938
引用格式：
J. Wang, J. Gao, H. Pu, B. Yuan, H. Chang, Y. Chen, Y. Shang, L. Mu, M. Dong, Study on flow distribution and heat transfer characteristics of lattice sandwich structure under non-uniform heat flux conditions, Aerosp. Sci. Technol. 180 (2027) 113938. https://doi.org/10.1016/j.ast.2026.113938.