超声速主流鼻锥逆喷-发汗复合冷却特性数值研究

作     者：边雨阳 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨海威

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082504[工学-人机与环境工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：复合冷却 逆向喷流 发汗冷却 鼻锥 主动式热防护 

摘      要：鼻锥是一种在高超声速飞行器中常见的结构。随着飞行器速度的不断增加,鼻锥结构所面临的热环境变得更加恶劣,需要对其采用合理有效的热防护。逆向喷流和发汗冷却是常用于钝头体热防护的两种热防护方式,但两者均存在一定的缺点。逆喷-发汗复合冷却综合了两种冷却方式的优点,能够相互弥补不足,提升对钝头体的热防护效果。本文以高温超声速主流中的鼻锥结构为研究对象,通过数值模拟方法,研究逆喷-发汗复合冷却的机理、有效性以及冷却特性,论文主要内容如下:研究单相复合冷却的热防护机理和有效性,并将复合冷却的热防护效果与逆喷、发汗冷却方案进行对比,说明复合冷却的优势。在复合冷却方案中,一部分冷却剂通过鼻锥前缘的槽缝进入主流中,形成逆向喷流,另一部分冷却剂进入多孔介质中与其固体骨架发生热交换,对鼻锥形成发汗冷却,进入主流域的冷却剂会覆盖在鼻锥表面,形成低温冷却剂薄膜,起到隔热的作用。与逆向喷流相比,复合冷却能够在鼻锥表面形成更厚的冷却剂膜,降低边界层内的温度梯度和速度梯度,并且对鼻锥的整体冷却效果更好。与发汗冷却相比,复合冷却能够更好地对鼻锥前缘形成热防护,并且鼻锥表面的温度梯度更小,即鼻锥表面所受的热应力更小。在不同的主流条件下,复合冷却均能很好地保护鼻锥,并且冷却效果随主流总温和马赫数的增加而提升。探究槽缝宽度、冷却剂注入率、冷却剂种类、多孔介质孔隙率以及多孔介质基体材料种类五种因素对单相复合冷却效果的影响。随着冷却剂槽缝宽度的增加,主流更容易进入到槽缝中,影响其中冷却剂的流动,复合冷却对鼻锥的热防护效果变差。冷却剂注入率的增加会使弓形激波与鼻锥驻点间的距离变远,有助于鼻锥前缘冷却效果的提升。密度较小的冷却剂能够将弓形激波推向距驻点更远的位置处,并在鼻锥表面形成更厚的低温膜;比热大的冷却剂在吸收同样热量时的温升小,能够更好地保护鼻锥。孔隙率的减小能够增加多孔介质内的比表面积,增强冷却剂与固体骨架的换热,提升对鼻锥前缘的冷却效果。多孔介质基体材料的导热系数越大,则多孔介质内的温度分布越均匀,复合冷却对鼻锥的整体热防护效果越好。为进一步提升复合冷却效果,采用液态水作为冷却剂,探究相变复合冷却的热防护特性。液态水相变过程中能够吸收大量的热,有助于冷却效果的提升。相变复合冷却效率同样随主流总温或马赫数的增加而升高,但不同工况下的冷却效率均在94%以上。主流攻角较小时,多孔介质中的液态水几乎不发生相变,此时复合冷却的热防护效果较好;当攻角达到6°及以上时,鼻锥迎风侧多孔介质中的相变现象明显,鼻锥前缘温度迅速升高,多孔介质表面温度梯度较大。本文的研究能够为高超声速飞行器主动式热防护系统的设计与优化提供参考。