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超声速主流条件发汗冷却的流动和传热机理研究

作　者: 熊宴斌
导　师: 姜培学
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 发汗冷却传热热防护多孔介质高超飞行器
分类号: V231
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 37次
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内容摘要

随着航空航天飞行器技术的发展，液体火箭及吸气式发动机燃烧室壁面以及高超声速飞行器外壳的工作热环境越来越恶劣，发汗冷却技术被认为是最有可能解决未来航空航天飞行器中关键部位热防护问题的技术方案之一。研究真实条件下发汗冷却的流动换热规律，对下一代液体火箭发动机以及高超声速飞行器的发展具有重要意义。已有的发汗冷却研究多采用低温低速主流条件，不能直接反映真实工况下的发汗冷却规律。本文以真实发汗冷却应用环境为背景，搭建了Ma为3的超声速主流风洞实验台，采用纹影仪观测主流激波结构，红外热像仪测量发汗壁面温度信息，研究分析了颗粒直径为90μm的青铜、不锈钢粉末烧结多孔平板，烧结金属丝网多孔平板以及不锈钢烧结粉末多孔曲面结构的发汗冷却规律，同时通过数值模拟，分析了发汗出流和主流相互作用以及激波结构对发汗冷却影响的具体规律。研究结果表明，发汗冷却二次流注入能够有效减小壁面速度梯度，降低壁面温度；高固体骨架热导率会有助于热量向多孔冷端传递，提高冷却效率；冷却效率基本不随主流总温的变化而变化。针对超燃冲压发动机燃烧室支板热防护的具体问题，提出、设计并加工了不同结构的烧结金属粉末多孔支板结构，采用发汗冷却方式对其进行热防护。在高温高速风洞中的搭载实验结果表明此种结构能够有效对支板进行保护，并且通过对支板底部表面测量的温度分布可以看出，此种发汗冷却支板热防护方案存在很大的优化设计空间。最后利用解析解及数值计算相结合的方法，对发汗冷却多孔介质区域采用局部非热平衡模型进行了计算和分析，研究了冷端边界条件设置以及计算模型的简化和选择对多孔壁面温度的影响。研究结果表明：多孔区冷端边界处应考虑冲击换热的影响，否则在小雷诺数流动时会造成计算温度低于实际值；在求解发汗冷却解析解过程中所进行的常物性、忽略流体热扩散项假设会使得计算的压力、温度信息与实际情况有所偏差，尤其不能忽略热弥散效应对多孔介质内换热的影响；温度跳跃效应会使微多孔内流固相温度升高，速度滑移效应会使多孔壁面进出口边界压差减小。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-11
第1章引言  11-31
  1.1 课题背景及意义  11-17
    1.1.1 液体火箭发动机关键部位热防护  11
    1.1.2 吸气式发动机及高超声速飞行器关键部位热防护  11-15
    1.1.3 发汗冷却技术  15-17
  1.2 国内外研究现状  17-29
    1.2.1 发汗冷却材料及结构的研究  17-19
    1.2.2 基础实验研究  19-20
    1.2.3 模拟实验研究  20-22
    1.2.4 数值模拟研究  22-29
  1.3 已有研究的不足  29-30
  1.4 本文研究内容  30-31
第2章超声速主流条件下烧结多孔介质平板发汗冷却研究  31-82
  2.1 本章引论  31
  2.2 实验系统概况  31-48
    2.2.1 实验系统概述  31-41
    2.2.2 实验段与安装  41-42
    2.2.3 实验中物理量的测量  42-46
    2.2.4 实验系统误差分析  46-48
  2.3 实验结果与分析  48-70
    2.3.1 烧结多孔平板发汗冷却过程的阻力分析  48-49
    2.3.2 超声速发汗冷却主流流动特性  49-54
    2.3.3 烧结多孔平板发汗冷却过程的传热分析  54-70
  2.4 烧结多孔平板发汗冷却的数值模拟  70-81
    2.4.1 物理模型及网格划分  70-72
    2.4.2 控制方程  72-74
    2.4.3 计算设置及湍流模型选择  74-76
    2.4.4 计算结果分析  76-81
  2.5 本章小结  81-82
第3章超声速主流条件下金属丝网平板发汗冷却研究  82-105
  3.1 本章引论  82
  3.2 丝网材料实验件  82-85
  3.3 实验结果与分析  85-104
    3.3.1 金属丝网多孔介质流动阻力分析  85-88
    3.3.2 金属丝网平板发汗冷却过程的传热分析  88-104
  3.4 本章小结  104-105
第4章超声速主流条件下曲面结构发汗冷却研究  105-128
  4.1 本章引论  105
  4.2 实验件结构  105-107
  4.3 实验结果及讨论  107-119
    4.3.1 曲面结构发汗冷却条件下流动特性  107-109
    4.3.2 曲面结构发汗冷却条件下换热特性  109-119
  4.4 数值模拟  119-126
    4.4.1 物理模型及网格划分  119-121
    4.4.2 结果与讨论  121-126
  4.5 本章小结  126-128
第5章超燃冲压发动机支板结构发汗冷却研究  128-165
  5.1 本章引论  128
  5.2 实验段结构及参数  128-131
  5.3 支板单相水发汗冷却实验研究  131-139
    5.3.1 实验系统和测量方法  132-133
    5.3.2 支板抗压压水实验  133-135
    5.3.3 注入率对发汗冷却的影响  135-137
    5.3.4 支板结构的热响应特性  137-139
  5.4 高温高速主流条件下甲烷发汗冷却实验研究及数值模拟  139-154
    5.4.1 实验系统及实验件  139-142
    5.4.2 物理量的实验测量  142-143
    5.4.3 实验结果及讨论  143-146
    5.4.4 高温高速主流下支板发汗冷却的数值计算  146-154
  5.5 高温高速主流条件下不同结构支板发汗冷却的数值模拟  154-164
    5.5.1 计算模型  154-156
    5.5.2 边界条件  156
    5.5.3 计算结果及讨论  156-164
  5.6 本章小结  164-165
第6章微多孔介质发汗冷却非热平衡数值模拟  165-191
  6.1 本章引论  165-167
  6.2 冷端边界条件的设定  167-176
    6.2.1 控制方程及求解  167-170
    6.2.2 结果与分析  170-176
  6.3 微多孔内发汗冷却的数值模拟  176-190
    6.3.1 控制方程及边界条件  178-180
    6.3.2 数值模拟模型验证  180-181
    6.3.3 计算结果与分析  181-190
  6.4 本章小结  190-191
第7章工作总结及展望  191-194
  7.1 本文工作总结  191-192
  7.2 未来工作展望  192-194
参考文献  194-208
致谢  208-210
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  210

超声速主流条件发汗冷却的流动和传热机理研究

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