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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

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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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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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高温主流条件下相变发汗冷却实验研究

工程热物理学报 2017年第4期38卷 817-821页

作者：黄干廖致远祝银海黄拯姜培学热科学与动力工程教育部重点实验室清华大学热能工程系北京100084

相变发汗冷却对于高超声速飞行器关键高温部位热防护具有重要的意义。本文实验研究了温度为700 K主流条件下烧结青铜多孔介质平板以液态水为冷却流体的相变发汗冷却过程及效果。实验研究结果表明,水相变发汗冷却效率较高。在一定的冷却... 详细信息

相变发汗冷却对于高超声速飞行器关键高温部位热防护具有重要的意义。本文实验研究了温度为700 K主流条件下烧结青铜多孔介质平板以液态水为冷却流体的相变发汗冷却过程及效果。实验研究结果表明,水相变发汗冷却效率较高。在一定的冷却剂注入率范围内,由于蒸气堵塞效应,多孔平板表面沿着主流方向存在着界面明显的相对高温区和充分冷却区,并且两个区域的界面难以稳定,呈周期振荡。适当减小烧结多孔平板颗粒直径有利于增强相变发汗冷却效率。

关键词：相变发汗冷却热防护多孔介质

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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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多孔介质相变发汗冷却主动热防护试验研究

宇航学报 2017年第2期38卷 212-218页

作者：吴亚东朱广生高波蒋平宁雷北京宇航系统工程研究所北京100076 中国运载火箭技术研究院北京100076

采用液态水作为冷却工质,通过烧结成型方式将钛铝合金材料制备为多孔介质平板,通过高压气瓶提供压力驱动水从多孔介质材料渗出,利用石英灯辐照的方式进行了500 k W/m^2热流密度的热考核,并监测了试验过程中的温度和流量力变化。试验结... 详细信息

采用液态水作为冷却工质,通过烧结成型方式将钛铝合金材料制备为多孔介质平板,通过高压气瓶提供压力驱动水从多孔介质材料渗出,利用石英灯辐照的方式进行了500 k W/m^2热流密度的热考核,并监测了试验过程中的温度和流量力变化。试验结果表明:在中等热流下,利用水的相变发汗冷却能够进行有效防热,材料加热面温度始终接近于水的沸点。且在试验过程中监测到,在给定水的增压压力情况下,随着时间推移,水的汽化过程逐渐深入多孔介质内,使得水流量逐渐升高。

关键词：主动热防护发汗冷却相变多孔介质石英灯

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发汗冷却喷管多孔壁面的分段设计分析

航空动力学报 2008年第12期23卷 2346-2352页

作者：金韶山姜培学孙纪国清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084 北京航天动力研究所北京100076

对于采用烧结多孔结构作为发汗冷却壁面的喷管,为最大限度的减少冷却剂流量,提出了对多孔介质壁面沿轴向进行分段的发汗冷却结构.通过采用Fluent软件对分4段结构的多孔壁面推力室发汗冷却进行数值模拟并且与不分段的发汗冷却喷管比较发... 详细信息

对于采用烧结多孔结构作为发汗冷却壁面的喷管,为最大限度的减少冷却剂流量,提出了对多孔介质壁面沿轴向进行分段的发汗冷却结构.通过采用Fluent软件对分4段结构的多孔壁面推力室发汗冷却进行数值模拟并且与不分段的发汗冷却喷管比较发现,分4段的结构在满足室壁温冷却要求的前提下可将冷却剂与主气流量百分比从28.3%降至12.6%,这表明烧结多孔结构分段设计是减少喷管发汗冷却剂流量的有效手段.

关键词：发汗冷却喷管多孔壁面分段设计

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单相发汗冷却对脉冲爆震燃烧传播的影响

推进技术 2024年第4期45卷 170-181页

作者：张晋姜俞光康嘉宁范玮西北工业大学动力与能源学院陕西西安710129

作为一种先进推进系统,脉冲爆震发动机热端部件的热载荷随着工作频率和飞行马赫数的提高而大幅增加。发汗冷却具有很高的冷却效率和更低的冷却剂消耗,使其成为脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却的理想方案。开展发汗冷却与爆震燃烧耦合研究... 详细信息

作为一种先进推进系统,脉冲爆震发动机热端部件的热载荷随着工作频率和飞行马赫数的提高而大幅增加。发汗冷却具有很高的冷却效率和更低的冷却剂消耗,使其成为脉冲爆震发动机燃烧室壁面冷却的理想方案。开展发汗冷却与爆震燃烧耦合研究,是爆震发动机发汗冷却设计的理论基础。为了探索发汗冷却的固体和流体结构对爆震燃烧的影响规律,本文采用实验方法,研究了不同多孔介质结构和单相发汗冷却对充分发展爆震燃烧传播过程的影响。结果表明,爆震波在多孔介质壁面上传播时发生减速,但不会引起爆震波解耦。单相发汗冷却引发爆震燃烧失效的主要原因是冷却剂的稀释作用使得局部当量比低于燃料的可爆极限。当冷却剂注入率超过12.5%时,爆震燃烧解耦。

关键词：脉冲爆震发汗冷却多孔介质爆震传播火焰传播速度

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激波对超音速平板发汗冷却的影响

工程热物理学报 2014年第11期35卷 2288-2293页

作者：黄拯祝银海熊宴斌姜培学清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

本文分析了激波影响下,不同激波强度,冷却气体和注入率对发汗冷却效果的影响。马赫数3的超音速主流遇到流道内的楔形激波发生器产生斜激波入射到多孔平板表面。楔块楔角φ分别为0°、4°、8°、12°模拟不同的入射激波强度,冷却介质分... 详细信息

本文分析了激波影响下,不同激波强度,冷却气体和注入率对发汗冷却效果的影响。马赫数3的超音速主流遇到流道内的楔形激波发生器产生斜激波入射到多孔平板表面。楔块楔角φ分别为0°、4°、8°、12°模拟不同的入射激波强度,冷却介质分别为空气、甲烷与氢气。计算结果表明,激波使多孔区域出口表面静压上升,冷却流体流出受阻而破坏冷却效果,且冷却效率随激波强度增强而下降,随冷却气体分子量增大,冷却效率下降幅度减小;但在激波强度较强时,激波在多孔表面形成逆压梯度,迫使冷却流体流向入射点上游区域而使该区域冷却效果得到恢复。提高冷却剂注入率可以减弱激波对冷却效率的破坏作用,但使壁面温度不均匀性增加。

关键词：超音速发汗冷却激波