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基于相变换热与发汗冷却技术的高超热防护快速预估方法

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基于相变换热与发汗冷却技术的高超热防护快速预估方法

作者：尚博文哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

高超声速飞行器是未来国防战略的重点,强烈的壁面效应造成了飞行器表面的巨大热流,耐温材料已经跟不上其发展速度,因此需要高效可靠的热防护冷却系统。发汗冷却是一种冷却效率高的主动冷却技术,冷却剂发生相变可以利用相变潜热进一步提... 详细信息

高超声速飞行器是未来国防战略的重点,强烈的壁面效应造成了飞行器表面的巨大热流,耐温材料已经跟不上其发展速度,因此需要高效可靠的热防护冷却系统。发汗冷却是一种冷却效率高的主动冷却技术,冷却剂发生相变可以利用相变潜热进一步提升冷却效果,使用更少的工质,但多孔介质相变流动与换热规律仍不明确。进行相变发汗冷却规律的研究对高超声速飞行器热防护系统具有重要意义,本文将基于相变和发汗冷却技术对热防护系统进行快速预估。针对高超声速飞行器热防护系统多孔介质相变换热这一关键技术问题,本文基于水蒸气RPI相变模型与多孔介质非平衡换热模型,开发了固体/流体耦合传热快速预估模型,能够有效应用于采用多孔介质的先进热防护系统的快速设计和性能评估,通过与模型实验以及CFD高级相变模型计算结果对比吻合很好。进一步研究了考虑相变的多孔介质非平衡换热过程以及高超声速飞行强壁面效应和高焓流粘性耗散的物理机制,预估计算结果表明,在一定的飞行条件下,随着冷却剂流量增加,冷却能力提高且效率平缓趋于最高值,且由于存在相变过程,相变区域比例越大,压力损失也随之增大,导致冷却剂流量与流动阻力呈现出复杂的,以饱和水和饱和蒸汽两个状态点为极值点的两阶段反向变化的近似二次曲线规律。简化的降阶模型和多孔头锥的计算结果基本一致,但空气侵入改变了蒸发区域。相变位置和工质气化程度是造成复杂流动与换热和发汗冷却效率不均匀性的主要原因,质量流量、孔隙率和外部热流量一起对其产生复合影响作用。本文模型能够依据飞行工况进行比较精准的流量动态调控,预估整个发汗冷却热防护系统的设计参数。针对高超钝头体冷却结构设计,本文模型通过控制冷却剂汽化过程及其与外部流场的相互干扰作用,快速获得冷却剂流量、两相区边界、孔隙率以及防护层厚度等参数的关系,能够满足先进冷却结构方案设计的计算精度。

关键词：高超热防护发汗冷却相变换热多孔介质数值模拟

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平板与唇口结构发汗冷却传热特性数值研究

平板与唇口结构发汗冷却传热特性数值研究

作者：柯镇大连理工大学

学位级别：硕士

近年来随着航空航天技术的快速发展,高超声速飞行器由于其巨大的军事战略意义,已成为世界各国研究的焦点。然而,高超声速飞行时受到强烈的气动加热,给机体结构的材料性能提出了巨大的挑战。相比传统的冷却方式,发汗冷却具有冷却效果均... 详细信息

近年来随着航空航天技术的快速发展,高超声速飞行器由于其巨大的军事战略意义,已成为世界各国研究的焦点。然而,高超声速飞行时受到强烈的气动加热,给机体结构的材料性能提出了巨大的挑战。相比传统的冷却方式,发汗冷却具有冷却效果均匀、膜覆盖性好、冷却效率高、易于控制的优点,正逐渐引起研究人员的关注,被认为是最有发展前景的冷却技术。本文以飞行器外表面热防护为研究背景,建立发汗冷却数值模型,运用数值模拟的方式对多孔介质发汗冷却传热特性进行数值研究。首先,运用Fluent软件中的多孔介质模型构建了发汗冷却数值模型,采用热平衡模型求解多孔介质内传热问题,对气态介质物性进行拟合,根据前人的实验及数值模拟,对本文构建的数值模型进行了验证工作。其次,以多孔介质平板为对象,研究了其在高温通道内的发汗冷却现象。考虑气体无相变发汗冷却和液体相变发汗冷却两种方式,对多孔介质在不同工况下的发汗冷却情况进行了数值模拟,分析了冷却剂种类和多孔介质材料性质对发汗冷却的影响规律。结果表明液态水的冷却效果要优于气体冷却工质,在气体发汗冷却中,可综合选用比热容较大、相对分子质量较小的气体。多孔介质材料导热系数主要影响了发汗冷却温度场的均匀性,多孔材料导热系数越大,温度场越均匀。多孔介质厚度主要影响冷却剂的注入压力,多孔介质越厚,冷却剂注入压力越大,推动冷却剂流经多孔介质所需的功率越大。最后,以GK-01型进气道为对象,数值模拟了该模型在真实飞行条件下所面临的热力环境,探究了飞行速度、高度对进气道壁面热流的影响机制。并对唇口部位采用主动式热防护措施,以气体为冷却介质进行了真实条件下的发汗冷却全场耦合数值模拟,并采用非均匀空隙率的方式对唇口进行优化设计。结果表明,高超声速飞行时唇口承受热流极不均匀,前缘和唇口下壁面热流高,上壁面热流低。唇口壁面热流密度随马赫数的增加而呈抛物线式上升,随飞行高度的上升而急剧下降,壁面热流密度随壁温的上升而呈线性下降趋势。采用发汗冷却方式能显著降低唇口温度,但由于唇口各处热力环境差异性较大,采用均匀孔隙率时冷却剂流出不均匀,导致各处冷却效果差异性大。采用非均匀孔隙率设计,可以提高冷却效果。

关键词：发汗冷却多孔介质气动热进气道唇口

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超燃冲压发动机燃烧室支板发汗冷却数值研究

超燃冲压发动机燃烧室支板发汗冷却数值研究

作者：刘学哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

高超声速飞行器的快速发展需要先进的动力装置提供动力。动力装置燃烧室内支板结构对改善燃烧室燃烧效果具有重要作用,但高温高速主流对支板形成的巨大热载荷会造成支板失效,必须采取有效热防护措施。发汗冷却作为一种先进的冷却方式,... 详细信息

高超声速飞行器的快速发展需要先进的动力装置提供动力。动力装置燃烧室内支板结构对改善燃烧室燃烧效果具有重要作用,但高温高速主流对支板形成的巨大热载荷会造成支板失效,必须采取有效热防护措施。发汗冷却作为一种先进的冷却方式,有着较高的冷却效率。本文对支板采用发汗冷却的主动热防护系统进行了研究。通过数值仿真手段,建立支板发汗冷却流动换热模型,揭示发汗冷却的热防护机理以及冷却效果的影响因素,为后期设计合理的热防护系统提供参考。分别针对无冷却及有发汗冷却流场进行数值模拟,分析支板在有发汗冷却时流场热防护效能。研究表明带有发汗冷却时支板壁面的速度边界层明显厚于无发汗冷却的情形,避免了主流直接在支板表面滞止。冷却工质在驻点位置的渗出会对主流所产生的弓形激波进行“外推”,从而减小主流对支板的力热载荷。同时,冷却工质向下游的堆积,使得冷却效率提高。支板内部冷却工质的流速受到当地压力的影响在接近出口时逐渐提高。对不同冷却工质、冷却工质入口温度、冷却工质流量等因素对发汗冷却效果的影响进行数值仿真研究。研究表明冷却工质的比热容是影响冷却效果的主要因素,氦气相对甲烷、空气具有较大的比热容以及较低的密度,因而具有更大的冷却效能和更大的吹除效果。对比分析不同入口温度冷却工质的冷却效果表明,低温状态下的冷却工质具有更大的冷却潜力,冷却工质流量的加大会增强与固体骨架间的换热,在支板表面形成更厚的冷却工质薄层,从而提高冷却效率。对不同支板倾斜角的流场进行数值模拟,分析得到支板倾斜角度的增大有利于减弱主流作用在支板前缘的力热载荷。对多孔骨架特性对冷却效果影响的数值分析表明,多孔介质中孔隙率和粒径的增大均会导致多孔介质内部换热面积的减小而削弱换热,然而,孔隙率的增大会在一定程度上提高通道内部的雷诺数Re,增强换热效果。多孔骨架导热系数的提高有利于骨架间热量的传递,局部高温区得到热量的释放,支板前缘温度降低。

关键词：发汗冷却热防护冷却效率多孔介质数值仿真

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基于多孔介质的发汗冷却特性数值研究

强度与环境 2021年第2期48卷 1-7页

作者：贾洲侠李志强侯传涛吴建国刘宝瑞任方北京强度环境研究所可靠性与环境工程技术重点实验室北京100076

针对航空航天领域日益严峻的热防护需求,采用发汗冷却对受气动加热以及高温燃气侵蚀的热端部件进行热防护的技术方案受到广泛关注。本研究发展了适用于高超声速条件下的多孔介质发汗冷却数值分析方法,对相变发汗冷却数值分析方法进行验... 详细信息

针对航空航天领域日益严峻的热防护需求,采用发汗冷却对受气动加热以及高温燃气侵蚀的热端部件进行热防护的技术方案受到广泛关注。本研究发展了适用于高超声速条件下的多孔介质发汗冷却数值分析方法,对相变发汗冷却数值分析方法进行验证及修正,进而获得具有较高准确度的多孔介质发汗冷却数值计算方法。对相变发汗冷却与外流场进行一体化耦合分析,获得主流温度、激波及发汗出流对冷却壁温及冷却效率的影响规律。

关键词：高超声速发汗冷却多孔介质数值分析相变

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发汗冷却湍流换热过程的数值模拟

清华大学学报（自然科学版） 2003年第12期43卷 1668-1671页

作者：余磊姜培学任泽霈清华大学热能工程系北京100084

为了验证湍流二方程模型在数值模拟发汗冷却过程的适用性,在PHEONICS3.3软件平台上采用两层k-ε湍流模型对无发汗冷却和有发汗冷却时的矩形槽道内湍流流动和换热进行了数值模拟。计算结果表明:发汗冷却使得边界层显著增厚,壁面摩擦阻力... 详细信息

为了验证湍流二方程模型在数值模拟发汗冷却过程的适用性,在PHEONICS3.3软件平台上采用两层k-ε湍流模型对无发汗冷却和有发汗冷却时的矩形槽道内湍流流动和换热进行了数值模拟。计算结果表明:发汗冷却使得边界层显著增厚,壁面摩擦阻力因数大为减小;随着冷却气体流量的增加,壁面温度和局部对流换热系数都大大下降。在注入率为1%左右时,发汗冷却段的壁面温度相对值降到了20%左右,局部对流换热系数相对值降到了50%以下。所得到的计算结果与已有关系式符合得很好:注入率在2%以内时误差小于10%。

关键词：发汗冷却湍流换热过程数值模拟传热学对流换热流动阻力

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边界条件局部变化对二维发汗冷却的影响

工程热物理学报 2010年第4期31卷 667-670页

作者：刘元清王扬平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

本文通过对发汗冷却的多孔区域进行二维非热平衡数值模拟,研究了多孔介质区域进口处对流换热系数、冷却剂流量局部降低以及多孔介质受热表面热流密度局部增大对青铜、陶瓷两种不同多孔材料的温度场的影响。计算结果表明,冷却剂在进口处... 详细信息

本文通过对发汗冷却的多孔区域进行二维非热平衡数值模拟,研究了多孔介质区域进口处对流换热系数、冷却剂流量局部降低以及多孔介质受热表面热流密度局部增大对青铜、陶瓷两种不同多孔材料的温度场的影响。计算结果表明,冷却剂在进口处与多孔壁面对流换热系数的增大使多孔介质内部趋向于热平衡;热端壁面对流换热系数、冷却剂流量的局部变化对陶瓷多孔壁面在该局部区域的影响要大于青铜多孔壁面,但青铜多孔壁面受影响的区域更大,而冷却剂流量的局部降低对两种材料固体、流体间温差的影响程度基本一致。

关键词：发汗冷却二维数值模拟非热平衡边界条件

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发汗冷却材料研究进展

材料导报 2008年第1期22卷 1-3页

作者：吉洪亮张长瑞曹英斌国防科技大学航天与材料工程学院先进陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室长沙410073

对火箭发动机发汗冷却技术进行了介绍,重点综述了发汗冷却材料的分类、材料体系、制备工艺及其应用研究进展,分析了我国与西方发达国家的差距,并对我国发汗冷却材料研究的发展方向、需要进行的主要工作进行了分析和讨论。

关键词：火箭发动机发汗冷却发汗冷却材料

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钝体头锥发汗冷却对流换热实验研究

工程热物理学报 2009年第6期30卷 1002-1004页

作者：金韶山姜培学苏志华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 石家庄供电公司调度所河北石家庄050051

本文进行了钝体头锥发汗冷却的实验研究,揭示了注入率,主流温度以及主流Re数对发汗冷却壁温及冷却效率的影响规律。结果表明:发汗冷却对于绕流钝体这种主流为曲面外流的情况依然能以较低的注入率对壁面进行有效的热防护。头锥驻点壁温较... 详细信息

本文进行了钝体头锥发汗冷却的实验研究,揭示了注入率,主流温度以及主流Re数对发汗冷却壁温及冷却效率的影响规律。结果表明:发汗冷却对于绕流钝体这种主流为曲面外流的情况依然能以较低的注入率对壁面进行有效的热防护。头锥驻点壁温较高,发汗冷却效率较低;从驻点至下游段壁温不断降低;冷却效率随主流Re数增加而降低。在接近下游处由于尾迹流与钝体底部的换热导致壁温有所增加。

关键词：钝体头锥发汗冷却对流换热烧结多孔介质

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一维、稳态、非热平衡发汗冷却的解析解研究

航空动力学报 2006年第1期21卷 77-82页

作者：王海南王建华中国科学技术大学热科学和能源工程系安徽合肥230027

为了研究热平衡假设给求解发汗冷却问题带来的误差,同时避免非热平衡能量方程求解中边界条件提法上的争议,对一维、稳态、非热平衡发汗冷却数学模型进行了简化。通过忽略冷却介质流体在微孔流动中的热传导作用,得到了发汗冷却问题的解... 详细信息

为了研究热平衡假设给求解发汗冷却问题带来的误差,同时避免非热平衡能量方程求解中边界条件提法上的争议,对一维、稳态、非热平衡发汗冷却数学模型进行了简化。通过忽略冷却介质流体在微孔流动中的热传导作用,得到了发汗冷却问题的解析解。利用解析解,讨论了热平衡与非热平衡的变化趋势以及影响热平衡的关键参数,并在此基础上,提出一个定量的热平衡假设使用准则。通过分析多孔材料骨架温度的变化趋势,研究了影响发汗冷却效率的因素。

关键词：航空、航天推进系统发汗冷却多孔介质解析解热平衡准则