航空发动机是高速旋转机械，为确保其长时间安全可靠运行，对轴承的有效润滑至关重要。其中，滑油作为常用的润滑剂，必须工作在合适的温度范围，才能发挥最佳的润滑防护效果。如果滑油温度过高，一方面，滑油黏度降低，将无法提供良好的润滑保护，加快零件摩擦表面的磨损；另一方面，将加速滑油自身的氧化变质，显著降低其使用寿命。因此，必须采取有效措施对滑油进行主动冷却。燃滑油换热器是航空发动机利用燃油热沉实现滑油冷却的核心设备。通过燃油与滑油之间的热交换，能够有效控制滑油温度，确保滑油的润滑效果，保证航空发动机轴承安全可靠工作。为确保飞行安全，航空发动机对换热器的结构可靠性要求很高［1］。壳管式换热器因其结构简单可靠、耐高温高压性能优良，在航空发动机燃滑油换热器设计中被广泛应用。
目前，国内外对壳管式换热器，特别是对壳管式燃滑油换热器的换热特性开展了较多研究工作，并取得一定成果。谷俊［2］基于对换热器壳程的流动分析，通过实验验证了采用Kern法、Bell-Delaware 法和分段模拟法计算换热特性的准确度。吕亚国等［3］引入无量纲关系式表征换热器冷热边对流换热特性，基于 ε -NTU法建立了典型壳管式燃滑油换热器传热特性的计算方法。张效伟等［4］对某型涡扇发动机用燃滑油散热器进行了试验研究，得出了燃滑油散热器性能曲线，并根据实验数据建立了换热器性能计算模型。此外，很多学者对壳管式燃滑油换热器的传热性能进行了深入分析［5-7］。
近年来，随着航空发动机性能的不断提升，壳管式换热器较低的换热效率成为制约其进一步发展的主要因素。如何提升壳管式换热器的换热效率，并进一步提升结构紧凑度成为亟待解决的问题。为实现强化传热，国内外学者对各种异形管应用于壳管式换热器传热强化进行了探索和尝试［8-9］。其中，椭圆异形管由于近似流线型，能够有效减少绕体涡流的产生，大幅降低流体掠过管外壁面时产生的流动阻力，同时达到强化传热的目的。Lin等［10］对空气在圆管和椭圆管管翅式换热器的流动进行数值仿真，证明了空气在椭圆管外的流动压降远低于圆管，椭圆管外的摩擦因子仅为圆管的0.6倍。同时，相比于其他异形管，椭圆管结构简单，制造难度低，安装风险小，可靠性高，更符合航空发动机燃滑油换热器的应用需求。
然而，目前对应用椭圆管进行强化传热的换热器的研究主要针对工业用大型壳管式换热器［11-12］，传热管当量直径一般在6 mm以上，介质以空气居多，流动状态多为紊流。对于应用小管径椭圆异形管的航空发动机用壳管式换热器的实验研究与验证较少［13-15］。针对上述背景，本文考虑航空发动机滑油冷却具体需求，设计开发了一种小管径椭圆管壳管式换热器，并开展系统的实验研究，将其与常规的圆管壳管式换热器的传热与流动特性进行详细比较分析。实验获得了椭圆管壳管式换热器在雷诺数7 000以下时传热与流动性能随流量的变化情况。实验结果对于航空领域基于小管径椭圆异形管的壳管式燃滑油换热器的设计具有重要的指导意义和参考价值。
1 实验系统
1.1 实验件
以圆管壳管式换热器作为比较基准，以管内和管外换热面积相同为原则，设计壳程和管程数均为1的椭圆管壳管式换热器。图1 a给出壳管式换热器的基本结构，表1 给出作为基准的圆管壳管式换热器和椭圆管壳管式换热器的详细结构参数。其中，圆管和椭圆管均呈正三角形叉流式布置，介质流动方向如图1 b所示。两种换热器的管侧介质均为燃油，壳侧介质均为滑油。
1.2 实验平台
由于条件限制，本实验中采用15号航空液压油代替滑油开展实验研究。实验系统如图2 所示。整个系统由3部分组成，包括液压油循环系统、燃油循环系统和温度/压力/流量数据采集与显示系统。液压油循环系统和燃油循环系统通过加热器和冷却水系统控制温度，并通过机械泵和流量调节阀控制冷热流体的流量。数据采集系统通过流量计、温度传感器、压力传感器采集、存储和显示燃油和液压油流量及进入换热器前后的温度、压力值。表2 给出实验过程主要测量仪器设备的精度。对壳管式换热器外壳包覆约厚度10 mm的绝热材料，减小换热器向周围环境的漏热。
实验步骤如下：首先调整液压油控制阀，常温下将液压油流量调整至20 L/min；然后调整液压油温度控制阀，将液压油温度逐步升至100 ℃，并调整液压油入口压力为1.2 MPa，同时对液压油控制阀进行微调，保持流量为20 L/min；然后调整燃油流量控制阀，常温下将燃油流量调整至11 L/min，之后燃油温度逐步升高至60 ℃，并调整燃油入口压力为1.8 MPa，同时对燃油控制阀进行微调，使其保持流量为11 L/min。待两侧流体保持稳定状态不低于10 min，记录燃油和液压油的出口温度和压力；接着，将液压油流量调整至60 L/min，其余参数不变，达到稳定状态后记录燃油和液压油的出口温度和压力。依次将液压油流量调整至100、200、275 L/min，并分别记录稳定状态时燃油和液压油的出口温度和压力。最后，将燃油流量分别调整至22、88、157、220、286 L/min，重复上述流程。
1.3 实验参数与数据处理
根据航空发动机燃滑油换热器设计经验，典型工况下航空发动机燃滑油换热器中燃油和滑油的雷诺数均小于7 000。针对该Re范围，实验中燃油和液压油的流量均控制在300 L/min以内。此外，设定燃油入口温度为60 ℃，入口压力为1.8 MPa； 设定液压油入口温度为100 ℃，入口压力为1.2 MPa。
实验中，当燃油/滑油温度在半小时内变化量小于0.5 ℃，则认为系统达到稳定状态。根据能量守恒，可得该壳管式换热器的换热量等于燃油的吸热量，即
式中：ρ为燃油的密度；V为燃油的流速；Cp 为燃油的比热；T out和T in分别为燃油的出口温度和入口温度。
本实验还测试了两种壳管式换热器在管侧和壳侧的流动压降，通过在工质出入口处布置压力传感器可直接获得工质压力数值，进而得到流动压降，用符号 表示。
为了对椭圆管壳管式换热器的强化传热性能做进一步分析，合理评价其流动换热能力，引入换热器性能评价标准（performance evaluation criterion，PEC）。PEC指数可以分析相同压降下换热器传热能力的强弱，其数值大于1，代表换热器相较于基准换热器具有强化换热效果；数值小于1，代表换热器相较于基准换热器换热性能更差。PEC指数的定义式为
式中：下标e为圆管壳管式换热器参数；下标r为椭圆管壳管式换热器参数；Nu是努塞尔数；f是管内流动的Darcy阻力系数，二者的定义式如下
式中：h为换热系数；l为换热器特征长度；λ为管壁材料导热系数；de 为换热器管道的当量直径；L为换热器管道总长度；u为燃油流速。
为确保数据严谨性，需要对换热量及流阻的不确定度进行分析。温度、压力及体积流量属于直接测量量，依据不确定度公式
式中：Δ A 为A类不确定度；Δ B 为B类不确定度；计算得到ΔT=0.3 K，Δp=2.5 kPa，ΔV=0.2 L/min。
流动阻力、换热器换热量属于间接测量量，依据不确定度公式
间接测量量的不确定度随约定真值的大小而变化，因此结合式（6） ，分别计算各实验条件下的不确定度，得到流动阻力在168 kPa时取得最大不确定度为5 kPa，最大相对不确定度为3.0%，换热器燃油吸热量在287.5 kW时取得最大不确定度为3.83 kW，最大相对不确定度为1.3%。
2 实验结果与分析
2.1 传热分析
由以上实验结果进一步分析得出，该椭圆异形管换热器工作在管内外任意一侧工质Re较小的工况下，特别在管外侧Re＜304或管内侧Re＜248时，相比基准圆管换热器的强化换热效果并不明显。随着管侧与壳侧流体Re增大，在相同工况下椭圆异形管换热器的传热量较基准圆管换热器有所提高，表现出更好的传热性能。
2.2 流阻分析
2.3 PEC分析
根据式（2 ）～（4 ）对两种换热器在管外侧液压油流量为20、60、100、200、275 L/min时，不同燃油流量下的PEC进行计算。根据前文，椭圆管对壳管式换热器的主要提升在于提高管外侧工质流动换热效果，因此选取管外侧工质流动时的相关参数进行PEC计算，结果如图7 所示。由图7 可知，管外侧液压油流量为20 L/min，椭圆管壳管式换热器只在燃油流量10 L/min时相较圆管壳管式换热器表现出了优势，其余情况下换热效果与圆管换热器近似。出现这种现象的原因是管外侧液压油是低流速、小流量，而管内侧燃油是大流量的情况下，管外侧液压油均可以做到充分换热，与管线截面形状无关，因此椭圆管结构优势无法体现。在管外侧液压油流量为60、100、200、275 L/min时，椭圆管换热器在各燃油流量下均体现出了一定的优势，在燃油流量大于20 L/min 后，PEC稳定在1.2～1.45区间内，其中在液压油60 L/min、燃油流量为22 L/min时，PEC取得最大值为1.425。说明椭圆管壳管式换热器的综合换热性能强于圆管壳管式换热器，椭圆管的应用具有强化换热效果。
3 结论
本文针对航空发动机滑油冷却应用背景，设计开发了一种椭圆管壳管式燃油/滑油换热器，对其传热与流动特性进行全面的实验研究，并与基准圆管壳管式换热器的性能进行对比分析，得出以下结论：
（1）相比基准圆管壳管式换热器，椭圆管壳管式换热器在管外侧Re<304或管内侧Re<248范围内，强化换热的效果并不明显；在管外侧Re≥500或换热器在管内侧Re≥496时，换热量高于圆管换热器，本实验范围内换热量最高提升15.6%。
（2）椭圆管壳管式换热器和基准圆管换热器的管外侧流阻均随管外侧流量的增加而增大。相同流量下，椭圆管换热器管外侧流阻低于圆管外侧流阻，且随着流量增大，椭圆管换热器与基准圆管换热器的流阻差异增大。本实验范围内管外侧流阻最高降低23.2%。
（3）以基准圆管换热器为标准，椭圆管壳管式换热器的PEC指数在管外侧流量大于20 L/min时稳定在1.2～1.4区间内，椭圆管壳管式换热器的综合换热性能强于圆管壳管式换热器。
综上所述，本文提出的椭圆管壳管式换热器在高雷诺数条件下较圆管壳管式换热器具有更优的传热性能和流动性能，在航空发动机高效滑油冷却等领域具有广阔的应用前景。