《Energies》：Numerical Study on Thermodynamic Performance of Shell-and-Tube and Compact Printed-Circuit Heat Exchangers for Aero-Engine Lubricating Oil System
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为了解决航空发动机不断增加的热负荷，燃油/润滑油热交换器正朝着更高的传热效率、更低的流动阻力和更轻的重量发展。本文数值比较了传统壳管式热交换器（STHE）和三种典型类型的印刷电路热交换器（PCHEs）在航空发动机应用中的热工水力性能。三种PCHE构型根据其流道
为了解决航空发动机不断增加的热负荷，燃油/润滑油热交换器正朝着更高的传热效率、更低的流动阻力和更轻的重量发展。本文数值比较了传统壳管式热交换器（STHE）和三种典型类型的印刷电路热交换器（PCHEs）在航空发动机应用中的热工水力性能。三种PCHE构型根据其流道几何形状分为两类：连续肋结构（直通道和Z通道）和间断肋结构（翼型通道）。所有模型均在相同的芯体体积和当量直径下建立，以确保公平比较。结果表明，翼型通道PCHE实现了最佳的综合性能。与STHE相比，其传热速率提高了63%，流动阻力降低了76%，传热面积扩大了125%，运行重量减少了60%。流场分析揭示，翼型通道通过三个关键机制实现高效传热而不产生过大的流动阻力：前缘冲击、周期性边界层重建和均匀流动混合。本研究为航空发动机中高效紧凑式热交换器的选择和优化提供了重要参考。
**论文解读：航空发动机润滑油系统中壳管式与印刷电路热交换器的热力学性能数值研究**
**1. 研究背景与问题**
在航空发动机中，润滑系统对于传动部件的润滑与散热至关重要。燃油/润滑油热交换器位于该系统核心，通过两种流体间的热交换实现燃油预热与润滑油冷却，其热性能直接影响润滑系统的温度控制，进而保障发动机的安全运行与工作效率。传统壳管式热交换器（STHE）虽成本低廉、技术成熟，但随着航空发动机热负荷持续上升，其传热效率、流阻、重量及结构紧凑性已无法满足现代需求。印刷电路热交换器（PCHE）通过光化学刻蚀与扩散连接制造，具有体积小（相同热负荷下仅需STHE的七分之一）、结构整体性强、极端工况下安全性高等优势，成为先进热管理系统的理想候选。然而，现有研究多集中于单一流道类型或单一工质，缺乏在相同几何约束与典型航空发动机燃油/润滑油系统工况下，对STHE、连续肋PCHE及间断肋PCHE的公平直接比较。这种研究空白严重限制了工程应用中最佳构型的选取。因此，研究人员开展了本项数值研究，旨在为高效、轻量化热交换器的选择与优化提供可靠数据与设计指导。该论文发表在《Energies》期刊。
**2. 研究内容与结论**
研究人员采用数值模拟方法，对比了传统STHE与三种典型PCHE（直通道、Z通道、翼型通道）在航空发动机燃油/润滑油热交换器应用中的热工水力性能。所有物理模型均在相同芯体体积（约71,400–73,100 mm3）与当量直径（约1.5 mm）下建立，以确保可比性。工作流体冷侧为RP-3航空煤油，热侧为Mobil Jet Oil II。研究表明，翼型通道PCHE实现了最佳综合性能：与STHE相比，其传热速率提高63%，流动阻力降低76%（压降降至STHE的1/4），传热面积扩大125%，运行重量减少60%。性能排序为翼型通道 > Z通道 > 直通道。流场分析揭示，翼型通道通过前缘冲击效应、周期性边界层重建及均匀流动混合三个关键机制，实现高效传热而避免过大流阻。该研究填补了对不同热交换器类型在相同约束下进行全面直接定量比较的重要空白，为航空发动机高效紧凑热交换器的设计优化提供了理论基础与数据支持。
**3. 主要关键技术方法**
研究人员使用ANSYS Fluent 2020 R1进行数值模拟。对于PCHE，采用单元建模（unit cell modeling）方法并施加周期性边界条件，由于雷诺数（Re）低于层流临界值（Recr = 2300），采用层流模型；对于STHE，因两侧Re较高且流动扰动强，采用k-ω湍流模型。控制方程使用二阶迎风格式离散，压力-速度耦合采用Coupled算法。性能评估引入传热系数（h）、流动阻力（ΔP）、努塞尔数（Nu）、范宁摩擦因子（f）及综合性能评价准则（PEC）。通过网格独立性验证确保计算精度，并分别针对STHE（与Bell–Delaware方法对比）和PCHE（与Kim等实验关联式对比）进行了模型验证，最大偏差在15%以内，确认了数值方法的可靠性。
**4. 研究结果**
**4.1 构型对整体热交换器性能的影响**
研究人员在相同芯体体积与当量直径下比较了四种热交换器的关键参数。结果显示，直通道和Z通道PCHE的传热面积相比STHE增加超过85%，翼型通道PCHE增加125%。所有PCHE的芯体重量和运行重量相比STHE降低35–68%。在相同冷侧流量下，翼型通道PCHE的传热速率最高，在最大燃油质量流量（0.136 kg/s）时比Z通道PCHE高55%，比直通道PCHE高63%。STHE的冷侧压降最大（8297.9 Pa），分别是Z通道PCHE的4.13倍和翼型通道PCHE的9.14倍。以单位压降单位运行重量的传热速率衡量，性能排序为：翼型通道PCHE > Z通道PCHE > 直通道PCHE > STHE。
**4.2 PCHE结构对传热与流动性能的影响**
研究人员通过分析努塞尔数（Nu）、范宁摩擦因子（f）及综合性能评价准则（PEC）随冷侧雷诺数（Re）的变化，得出PCHE传热性能排序：翼型通道 > Z通道 > 直通道。直通道PCHE因无扰动结构，f最低；Z通道与翼型通道的f趋势相近。三种PCHE的PEC值均大于1，表明其综合热工水力性能优于层流充分发展圆管流动，其中翼型通道PCHE的PEC在Re = 1200时达到约6。沿流向的Nu与f分布表明，直通道PCHE的Nu在入口区域外持续较低；Z通道PCHE的Nu仅有平缓变化；翼型通道PCHE则始终保持最高Nu水平，且f波动值与Z通道相当，说明间断肋结构在增强传热的同时未显著增加流阻。
**4.3 PCHE内流动特性**
研究人员通过速度分布、速度矢量及热流密度云图分析流动机理。直通道PCHE的差异主要来自近壁边界层发展；Z通道PCHE内主流发生周期性横向偏转，伴随大范围低速区；翼型通道PCHE因流道截面扩大、流动分布均匀，最大流速（约0.8 m/s）低于其他两种PCHE，且间断肋使得同一板层内相邻区域流体均匀混合，促进动量与能量交换。速度矢量显示，Z通道转弯处无法有效引导流动，形成滞止区；翼型通道中，翼型肋的前缘直接冲击上游流道核心区，持续重建新边界层，显著强化核心区传热。热流密度云图证实，翼型通道前缘因流动冲击与局部滞止形成高热流区（局部可达250 kW/m2），平均热流密度（47.4 kW/m2）分别比直通道和Z通道高129%和39%。
**5. 讨论与结论**
讨论部分指出，本研究的数值分析揭示了不同PCHE的流动与传热机理，从工程适用性角度验证了间断肋结构（特别是翼型通道）在改善综合热工水力性能方面的显著优势。结果为高负荷工况下燃油-润滑油热交换器的选择与优化提供了理论依据和数据支持，对推动中国航空发动机热系统向更高效率、更强可靠性、更轻重量方向发展具有积极意义。同时，研究者也指出，PCHE的实际航空应用还需考虑制造挑战，包括精密化学刻蚀（通道公差±0.05 mm）、扩散连接质量控制、微通道泄漏检测及成本等问题，当前PCHE的生产成本远高于传统STHE。未来工作应系统评估这些可制造性与经济性因素，并开发经济高效的制造工艺，以弥合实验室性能展示与航空认证之间的差距。此外，后续还将开展PCHE通道的系统参数灵敏度分析与几何结构优化，以进一步提升其热工水力性能与轻量化潜力。
**研究结论翻译如下：**
(1) 翼型通道PCHE实现了最佳综合性能。在相同芯体体积与当量直径下，其传热速率提高63%，压降降至STHE的1/4，传热面积扩大125%，运行重量减少60%，在轻量化设计与高效传热方面展现出显著优势。
(2) PCHE的性能排序为：翼型通道 > Z通道 > 直通道。基于综合性能评价准则（PEC）的分析表明，间断肋结构（翼型通道）在整体热工水力性能上显著优于连续肋结构。直通道PCHE因流动扰动不足导致传热薄弱；Z通道PCHE虽增强了传热，但存在流动滞止与压降增加的问题。
(3) 流动机理分析揭示了性能差异的根源。Z通道受限于流动偏转与滞止区，传热增强有限；而翼型通道通过扩大流动面积、均匀化流动分布、以及前缘冲击产生局部高热流区域，有效强化了核心区传热，同时周期性边界层重建确保持续的传热增强。
