文章亮点：现有超高声速飞行器预冷组合循环发动机空气预冷器内部一般由多组微细管束组成，工作过程中存在流致振动大、加工要求高等问题，因此，有必要对预冷器换热芯体进行改型设计，并对其开展进一步的流动换热研究。本文首先分析了基于仿生分形的预冷器换热芯体改型需求；然后梳理了仿蜂巢分形、树状分形与生物表面混合结构在新型预冷芯体强化换热上的应用，以及仿生物体凹凸表面结构、疏水结构在降低预冷芯体内通道表面流阻、抑制结霜上的应用，给出了3种可适用于空天领域的“筒状”仿生预冷换热芯体设计案例；最后总结并展望了仿生微通道换热结构与预冷器换热芯体设计结合的发展前景。
研究背景：轻质高效预冷换热是航空发动机高速涡轮的核心技术。超高声速飞行器是指飞行马赫数大于5的飞行器，具有快速响应、大航程等特点，其所需的预冷组合循环发动机通过多种部件的协同工作，可以实现飞行器工作性能的提升，能够更好适用于所需飞行工况。
为了实现超高声速飞行器性能的优化，传统的涡轮发动机需要通过优化压气机部件或改善部件来流工况以获得较大的增压比，进而提高发动机的动力性能。发动机进气道出口、压气机入口处1 000 K以上空气总温，会极大制约压气机增压比的提高，同时，进气道附近由于高温空气导致的超高壁温，也会导致发动机的材料趋于温度耐受极限，产生热防护等问题。因此，通过在压气机前增设预冷器来降低来流空气的总温，对提高飞行器动力系统整体性能非常重要。
近年来，对于吸气预冷发动机预冷器部件的研究主要集中在预冷芯体传热特性、预冷器与发动机整体循环参数适配和预冷芯体管状结构抑制结霜等方面，针对预冷器换热芯体改型设计的研究较少。本文参考目前的主流微结构仿生换热器的设计方法，首先分析预冷器换热芯体的研究现状和其与仿生微通道换热结构、仿生凹凸表面等结构相结合的设计可行性，然后基于该需求进一步给出几种设计案例，最后讨论新型预冷换热芯体结构设计和性能研究可以开展的方向，以期为今后同类预冷器换热结构的开发设计提供思路。
研究展望：除本文分析中构建的设计案例外，目前已有较多的科研单位提出了新型的吸气预冷发动机预冷器核心部件设计方法，并对结构进行了公开。仿生强化传热结构的种类多样且易于进行表面改性，将其和预冷芯体所需的“筒状”环形换热结构相结合，具有广阔的应用前景；仿生减阻结构的设计可以应用在构型改进和表面改性方面，其表面凹凸结构对于点阵式微通道换热芯体设计具有较强的借鉴性，也是未来航空动力装置轻质高效换热设计的重要研究方向。
基于上述对仿生换热结构设计研究进展的分析，在航空动力装置预冷换热部件的强化高效传热设计和降低流动阻力设计两个方面，提出如下四方面展望。
1） 针对航空发动机高速发展带来的预冷器换热芯体设计需求，研究其换热芯体在应用仿蜂巢结构/树状分形结构和仿生物表面混合结构等多个强化换热方式后的传热性能改善情况，应用仿鳞片结构和仿生物体表面凹凸结构设计思想所得到的微通道预冷换热结构减阻传热性能，以及应用仿生物体表面疏水结构所得预冷器芯体通道表面减阻和抑制结霜性能，提出全流程化的仿生预冷换热结构设计方法。
2） 对预冷器芯体强化传热和降低流阻中的仿生分形结构开发和内通道表面改性两个方面进行宏观—微观的跨尺度结合，研究降低新型仿生分形预冷结构的加工复杂度，提高其在工程上的应用价值。
3） 将上述仿生设计过程进一步与仿生学结合，明确优化参数和指标，建立可以较为准确表征仿生结构特点与预冷芯体换热效果关系的传热性能分析方法。
4） 根据实际需求，开发基于拓扑优化、构型理论等方法的仿生换热结构构型设计流程，拓展新的预冷换热结构设计方法。
引用格式：王晓放, 董永林, 蒋顺林, 等. 吸气预冷发动机预冷换热芯体仿生结构设计发展趋势与展望[J]. 航空工程进展, 2024, 15(4): 27-38. WANG Xiaofang, DONG Yonglin, JIANG Shunlin, et al. Development trends and prospects of biomimetic structure design for precooled heat exchange cores of aspirated precooled engines[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2024, 15(4): 27-38. (in Chinese)
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