Thermischer Schutz ist ein entscheidendes Thema für Kombinierte-Kreislauf-Motoren (CCE) in fortschrittlichen Antriebssystemen. Ungleichmäßige Strömungsverteilung und lokal begrenzte Verschlechterungen des Wärmeübergangs begrenzen die Anwendung paralleler Kühlkanäle in CCE unter multimodalen Betriebsbedingungen. Die Stiftefinnenstruktur stellt einen vielversprechenden Ansatz für das Design der nächsten Generation von regenerativen Kühlkanälen dar. Das Strömungs- und Wärmeübertragungsverhalten von Kohlenwasserstoffkraftstoff unter Überkritischem Druck in regenerativen Kühlkanälen mit Stiftefinnen wurde in dieser Arbeit mittels Large Eddy Simulationen und Experimenten untersucht. Detaillierte Analysen der Strömungsturbulenz, Wirbelstrukturen und thermischen Felder wurden für drei verschiedene Stiftefinnengeometrien (rund, elliptisch und quadratisch) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die quadratische Stiftefinnenanordnung den höchsten thermischen Leistungsfaktor aufweist, mit einem Thermischen Leistungsfaktor, der 3,5-mal höher ist als bei isoparallelen Kanälen, und die Wandtemperatur um ∼40 % senkt. Die Wärmeübertragung wird durch Impingement-Kühlung verstärkt, die durch den Hufeisenwirbel nahe der Vorderkante der Finne und den instationären Kármán-Wirbel nach dem Strömungsablösepunkt hervorgerufen wird, was die turbulente Intensität der Scherlage erhöht. Die elliptische Stiftefinne zeigt eine vergleichbare Wärmeübertragung wie die runde, erzeugt aber nur 19 % des Druckabfalls. Ein bodengestützter Direktanschluss-Thermietest bei einer simulierten Flug-Machzahl von 6 wurde durchgeführt, um die Wärmeübertragungseffizienz der Stiftefinnen-Kühlplatten zu verifizieren. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die durchschnittliche Temperatur auf der Heizfläche der quadratischen Stiftefinnen-Regenerativkühlplatte um bis zu 27 % gegenüber der isoparallelen Kühlplatte reduziert werden kann, während auch die ungleichmäßige umfangreiche Temperaturverteilung durch ungleichmäßige Strömungsverteilung signifikant gemildert wird. Die Effekte der Kühlmittel-Massenstromrate, des Verbrennungsgleichgewichtsverhältnisses und des Kühlmitteldrucks auf die Wärmeübertragungseffizienz nehmen nacheinander ab. Diese Arbeit liefert quantitative Konstruktionsrichtlinien und grundlegende Erkenntnisse für die Implementierung hocheffizienter, leichter Stiftefinnen-Regenerativkühlkanäle in fortschrittlichen CCE.
Zhao et al. (Do,) untersuchten diese Fragestellung.