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不同材料发汗冷却结构下氢冷却性能

航空动力学报 2022年第4期37卷 781-790页

作者：孙纪国蔡国飙北京航空航天大学宇航学院北京100191

为了实现航空航天等领域高温大热流燃烧装置的有效冷却,研究了不同材料和工艺制成的发汗冷却结构在高温高热流密度下,氢的发汗冷却性能。模拟高压推力室的结构特点和高热流设计发汗冷却试验件,用电弧加热主流空气模拟高温燃气、以氢气... 详细信息

为了实现航空航天等领域高温大热流燃烧装置的有效冷却,研究了不同材料和工艺制成的发汗冷却结构在高温高热流密度下,氢的发汗冷却性能。模拟高压推力室的结构特点和高热流设计发汗冷却试验件,用电弧加热主流空气模拟高温燃气、以氢气为发汗冷却剂对多孔陶瓷、烧结多孔不锈钢和多孔层板材料进行了33次172 s热试验研究。试验的材料设计孔隙率为10%~40%,燃烧室压力为2.7~8.4 MPa,主流燃气温度约为3600 K,主流空气流量为220~1490 g/s,冷却氢气流量为9.6~57 g/s,注入率为0.005~0.029。试验结果表明:当冷却剂氢注入率为1%时,主流与多孔陶瓷材料壁面和粉末冶金多孔结构壁面之间的换热分别减少了30%和70%以上;当注入率为3%时,主流与光刻多孔层间结构壁面之间的换热也能降低60%。证明氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。最后还总结得出了常温氢气对高压大热流环境进行发汗冷却的性能关联式。

关键词：发汗冷却氢气多孔材料热防护粉末冶金陶瓷层板

发汗冷却中多孔壁面添质通道流动的实验和数值研究

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推进技术 2018年第6期39卷 1340-1346页

作者：赵广播肖雪峰易珺周伟星哈尔滨工业大学能源科学与动力工程学院黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学基础与交叉科学研究院黑龙江哈尔滨150001

发汗冷却相比常规主动冷却方式是冷却效率更高、覆盖性能更好的热防护技术。为了研究发汗冷却中的添质流动现象,通过带有红外热成像技术的发汗冷却实验平台,在雷诺数1.35×105和总温373K的来流条件下对金属颗粒烧结多孔材料的发汗冷却... 详细信息

发汗冷却相比常规主动冷却方式是冷却效率更高、覆盖性能更好的热防护技术。为了研究发汗冷却中的添质流动现象,通过带有红外热成像技术的发汗冷却实验平台,在雷诺数1.35×105和总温373K的来流条件下对金属颗粒烧结多孔材料的发汗冷却效果进行了研究,得到了在不同注入率条件下多孔壁面的温度分布,结果显示平均冷却效率与注入率之间近似呈线性关系,当氮气注入率为33.5%时平均冷却效率接近0.45。通过对比单温度方程的局部热平衡模型和双温度方程的局部非热平衡模型的模拟结果,显示局部非热平衡模型能正确反映发汗冷却过程中的换热过程,模拟结果和实验数据具有较高吻合度。模拟结果表明:多孔壁面边界层随注入率的增大而增厚,边界层增厚是发汗冷却具有较高冷却效率的原因之一。

关键词：多孔介质发汗冷却边界层实验研究数值模拟

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真空条件下多孔平板发汗冷却试验研究

北京航空航天大学学报 2021年第8期47卷 1594-1604页

作者：陈星宇王丽燕陈伟华王振峰曹占伟高扬中国航天科技集团有限公司北京100048 中国运载火箭技术研究院空间物理重点实验室北京100076

发汗冷却是解决高速飞行器关键部位热防护问题的有效途径。以不同材料的多孔平板为研究对象,以水为冷却剂,利用自行设计搭建的试验平台对多孔平板发汗冷却过程进行瞬态试验测量,得到了不同热流加热环境下不同材料多孔平板内外壁温度变化... 详细信息

发汗冷却是解决高速飞行器关键部位热防护问题的有效途径。以不同材料的多孔平板为研究对象,以水为冷却剂,利用自行设计搭建的试验平台对多孔平板发汗冷却过程进行瞬态试验测量,得到了不同热流加热环境下不同材料多孔平板内外壁温度变化,并分析冷却剂对不同材料的冷却效果。结果表明:发汗冷却极大降低了多孔平板内外壁温度,起到了有效的主动热防护作用。对于镍、铜金属多孔平板,保持冷却剂水流量约3.5 g/s,在热流密度小于120 kW/m^(2)的条件下,多孔平板内外壁温度稳定在30~50℃。对于陶瓷多孔平板,保持冷却剂水流量约0.32 g/s,在热流密度小于220 kW/m^(2)的条件下,多孔平板内外壁温度基本稳定在30~40℃。在高热流密度315 kW/m^(2)的条件下,对于镍、铜金属和陶瓷多孔平板,发汗冷却时平板内壁温度变化不大,外壁温度分别稳定在约260℃、110℃和130℃。外壁冷却剂处于完全汽化状态,且冷却剂汽化相变位置在多孔平板内部。若无发汗冷却,多孔平板内外壁温度快速升高,其平衡温度较有发汗冷却时大幅提高,进一步表明发汗冷却的巨大应用潜力。

关键词：主动防护发汗冷却多孔平板辐射加热试验测量

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高焓条件下多孔柱状结构发汗冷却实验研究

工程热物理学报 2020年第12期41卷 3053-3060页

作者：肖雪峰赵广播周伟星哈尔滨工业大学能源科学与动力工程学院哈尔滨150001

发汗冷却技术是解决未来高超飞行器热防护问题的关键技术之一,本文以金属颗粒烧结材料制成的柱状结构为研究对象,开展了以航空煤油为冷却剂的多孔柱状结构发汗冷却实验。实验同时考察了多孔单柱结构和多孔三柱结构,采用红外热成像系统... 详细信息

发汗冷却技术是解决未来高超飞行器热防护问题的关键技术之一,本文以金属颗粒烧结材料制成的柱状结构为研究对象,开展了以航空煤油为冷却剂的多孔柱状结构发汗冷却实验。实验同时考察了多孔单柱结构和多孔三柱结构,采用红外热成像系统观测了多孔柱状结构的表面温度分布情况。实验结果显示在航空煤油总流量26 g/s、来流马赫数2.1、来流总温1165 K的条件下,多孔单柱结构和多孔三柱结构均得到了良好的冷却,最高温度不超过600 K。

关键词：发汗冷却超声速多孔介质柱状结构

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发汗冷却数值模拟方法及在涡轮叶片中的应用

发汗冷却数值模拟方法及在涡轮叶片中的应用

作者：付祥卿哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

现代先进燃气轮机对功率和效率要求的进一步提升,使得燃气轮机部件热环境更加恶劣,因此亟待高性能的冷却技术出现。外部冷却(对流冷却、气膜冷却、发汗冷却)作为燃气轮机高温部件的重要冷却方式,因其良好的冷却性能被广泛应用在涡轮叶... 详细信息

现代先进燃气轮机对功率和效率要求的进一步提升,使得燃气轮机部件热环境更加恶劣,因此亟待高性能的冷却技术出现。外部冷却(对流冷却、气膜冷却、发汗冷却)作为燃气轮机高温部件的重要冷却方式,因其良好的冷却性能被广泛应用在涡轮叶片表面。发汗冷却作为未来先进燃气轮机采用的更为有效的主动热防护冷却方式,结合气膜冷却方式的优点和多孔介质材料特性,均匀分散冷却流体出流,利用多孔介质较大的比表面积和内部体积提供充分的换热空间,有利于实现大面积且可重复使用的热防护,并且可以将承热部分的冷却结构和承力结构分开,承受一定力量冲击。本文以发汗冷却为主要研究对象,利用实验数据验证局部热非平衡模型的准确性,在局部热非平衡模型下,对多孔介质受限层流冲击射流流动换热性质进行研究、采用Realizable k-ε湍流模型对简化的平板发汗冷却的冷却效率进行研究,并在k-ω-SST湍流模型下对气冷涡轮叶片表面应用发汗冷却的冷却效率进行研究。首先针对受限平板冲击射流冲击多孔介质平板,探究了局部热非平衡模型模拟多孔介质中流动传热的准确性,分析了改变入口Re数、Da数、多孔介质材料孔隙率以及多孔介质平板厚度对流动换热的影响。模拟结果表明:局部热非平衡模型在对平板冲击射流模拟中,在冲击滞止区域对传热模拟准确度比局部热平衡模型好一些。铺入多孔介质可以有效改善通道内流动结构,增大入口Re数、Da数更大更有利于滞止区域流动换热,孔隙率对通道内流动换热影响不明显。然后在平板气膜冷却的气膜孔表面覆盖多孔介质,利用局部热非平衡模型探究平板发汗冷却流动传热情况。模拟结果表明:在靠近气膜孔下游,局部热非平衡模型对平板发汗冷却的冷却效率和摩擦系数的模拟结果比局部热平衡模型效果更明显。并用局部热非平衡模型探究了平板气膜冷却和在气孔表面平铺多孔介质的发汗冷却的冷却效率差异,改变吹风比、孔隙率、Da数对发汗冷却流动换热的影响。发汗冷却相对于气膜冷却,有抑制抬升、平均冷却气流的作用,有效的提高了冷却效率,且随着孔隙率的减小、Da数的减小对发汗冷却效率略有提升。最后基于平板发汗冷却的研究结果,利用局部热非平衡模型对GE-E涡轮叶片表面平铺多孔介质的发汗冷却换热情况进行模拟,并与气膜冷却换热情况进行对比。模拟结果表明:使用发汗冷却的涡轮叶片比气冷涡轮叶片更有效的抑制了冷却剂的抬升,冷却剂在气孔两侧及下游延展,增大了冷却气膜面积,强化了冷却效果。改变吹风比,发汗冷却随着吹风比增大而增大,气膜冷却随着吹风比增大先增大后减小。相同吹风比下,发汗冷却的冷却效率和冷却面积要比气膜冷却大。孔隙率减小对涡轮叶片发汗冷却效果有改善。

关键词：发汗冷却多孔介质局部热非平衡流动传热

同方学位论文库评论

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超声速主流平板相变发汗冷却实验研究

推进技术 2019年第5期40卷 1058-1064页

作者：廖致远祝银海黄干胥蕊娜姜培学清华大学能源与动力工程系北京100084

液态水具有较高的比热容和很高的相变潜热,采用水作为冷却剂的相变发汗冷却技术是解决高超声速飞行器关键部位热防护的高效主动冷却技术。利用主流马赫数2.2,总温500K的超声速风洞实验台,研究了超声速主流条件下多孔平板相变发汗冷却规... 详细信息

液态水具有较高的比热容和很高的相变潜热,采用水作为冷却剂的相变发汗冷却技术是解决高超声速飞行器关键部位热防护的高效主动冷却技术。利用主流马赫数2.2,总温500K的超声速风洞实验台,研究了超声速主流条件下多孔平板相变发汗冷却规律,分析了注入冷却剂时的非稳态过程。研究结果表明,在超声速主流条件下,多孔平板表面平均冷却效率随着注入率的提升而上升,且多孔平板上游冷却效率高于下游冷却效率,发现液态冷却剂优先从上游流出多孔表面并朝下游铺展。提升冷却剂的注入率可以提升多孔平板表面温度的均匀性。冷却剂的注入压力受到水蒸气影响,随着注入率的增大先增大后减小再增大。在较小冷却剂注入率时(F=0.05%),多孔平板表面的冷却效率都保持在0.6以上,说明相变发汗冷却具有低冷却剂用量和高冷却效率的特点。

关键词：发汗冷却多孔介质相变超声速

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激波干扰对发汗冷却影响的数值模拟研究

宇航学报 2021年第3期42卷 324-332页

作者：张红军康宏琳北京空天技术研究所北京100074

基于宏观表征体元(REV)的数值模拟方法开展了激波干扰对异质发汗冷却影响的数值模拟研究,获得了外部激波干扰与引射气体边界层耦合相互作用流场特征。研究结果表明,不同冷却介质对于冷却效率有显著的影响,冷却介质比热容越大,相同注入... 详细信息

基于宏观表征体元(REV)的数值模拟方法开展了激波干扰对异质发汗冷却影响的数值模拟研究,获得了外部激波干扰与引射气体边界层耦合相互作用流场特征。研究结果表明,不同冷却介质对于冷却效率有显著的影响,冷却介质比热容越大,相同注入率条件下的冷却效果更好;入射激波干扰会显著影响多孔材料表面的压力分布,使得多孔材料内部冷却介质会发生显著的横向流动,流动的重新分配使得处于高压区的干扰位置处的冷却效果降低;激波干扰引起的局部压力梯度还会使得高温主流与冷却介质掺混加剧,同时壁面的恢复温度也随之升高,显著影响激波干扰局部位置处的冷却效果。

关键词：发汗冷却激波干扰多孔介质数值模拟

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丙二醇改性水溶液的发汗冷却实验研究

推进技术 2021年第3期42卷 587-592页

作者：冉方圆伍楠贺菲王建华中国科学技术大学工程科学学院中国科学院材料力学行为和设计重点实验室安徽合肥230027

针对液态水相变发汗冷却实验中的振荡、表面温度分布不均及结冰现象,对液体冷却剂进行调研,选取丙二醇添加剂对液态水改性,在主流温度573K,雷诺数1.2×10^(4)的亚声速高温风洞中,实验研究了不同丙二醇改性水溶液浓度和注入率下多孔平板... 详细信息

针对液态水相变发汗冷却实验中的振荡、表面温度分布不均及结冰现象,对液体冷却剂进行调研,选取丙二醇添加剂对液态水改性,在主流温度573K,雷诺数1.2×10^(4)的亚声速高温风洞中,实验研究了不同丙二醇改性水溶液浓度和注入率下多孔平板的相变发汗冷却特性。结果表明:随丙二醇浓度增大,多孔平板对改性水溶液的渗透率增大,多孔平板表面温度的振荡幅度减小,同时振荡周期内温度波峰降低。因此,使用丙二醇改性水溶液作为冷却剂,发汗冷却结构表面温度分布更加均匀,热疲劳损伤减小,承温极限升高,进而烧蚀风险降低。另外,注入率越大平板表面冷却效果越好,表面温度的振荡幅度越小,因此增大注入率也是改善多孔板表面温度波动的有效方式。

关键词：发汗冷却液态水改性丙二醇相变振荡现象

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航天飞行器热防护相变发汗冷却研究进展

清华大学学报（自然科学版） 2021年第12期61卷 1341-1352页

作者：胥蕊娜李晓阳廖致远胡皓玮祝银海姜培学清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

随着航天飞行器飞行速度与时间的提高,气动、燃烧等带来的超高温、大热流使得飞行器部件温度远超材料耐温极限,高效可靠的热防护技术成为制约航天飞行器发展的重要瓶颈之一。发汗冷却技术自20世纪40年代提出以来,被认为是一种具有极高... 详细信息

随着航天飞行器飞行速度与时间的提高,气动、燃烧等带来的超高温、大热流使得飞行器部件温度远超材料耐温极限,高效可靠的热防护技术成为制约航天飞行器发展的重要瓶颈之一。发汗冷却技术自20世纪40年代提出以来,被认为是一种具有极高冷却效率的主动热防护技术,可实现航天飞行器超高温/大热流表面的有效热防护。该文对国际、国内主要研究团队和作者研究团队近年来相变发汗冷却的研究进行了综述,阐述了亚声速和超声速主流中相变发汗冷却流动与换热规律,提出了仿生自抽吸自适应相变发汗冷却方法及其优化结构,给出了发汗冷却在航天飞行器典型热端结构中的应用和优化方法。结合先进材料的发展探索非均匀热流、过载等条件下相变发汗冷却的流动换热规律是未来相变发汗冷却发展的重要方向,从而为航天飞行器跨越式发展提供可靠的技术支持。

关键词：热防护发汗冷却相变自抽吸优化