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新型金属热防护系统原理设计及相关技术研究

作 者: 熊鸥
导 师: 陈吉安
学 校: 上海交通大学
专 业: 飞行器设计
关键词: 高超声速飞行器 金属热防护系统 接触热阻 喷雾冷却
分类号: V245
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
下 载: 118次
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内容摘要


高超声速飞行器在飞行(≥6Ma)过程中面临严峻的外部环境:包括很高的温度和温度冲击、很高的气动载荷和噪声载荷、强烈的振动等。热防护系统对于飞行器的总体设计方案和性能具有举足轻重的地位。与陶瓷热防护系统相比,金属热防护系统具有很多无法比拟的优点。本文将具有高效冷却作用的喷雾冷却技术引入到热防护系统的设计中,从原理上构建了一种新型的金属热防护系统方案,讨论了该方案的可行性,并进行了一些相关技术的探索研究。本文第三章分析了热防护系统的总体设计方法,给出了防热结构的总体设计流程图。对热防护系统的传热过程进行适当的简化,建立了传热基本方程,给出了其离散格式。并以防热结构的总厚度为主要设计变量,通过数值计算,得出厚度与热防护系统边界条件(温度边界、热流密度边界)的关系曲线。第四章,对本文方案的关键传热元件之一的高温热管进行了设计,确定了其使用材料、吸液芯类型和主要尺寸,并对毛细限、声速限、携带限进行了校核,结果表明其能满足使用要求;最后,对接触热阻这一影响热防护系统性能的重要因素,进行了初步的探索研究。在深入了解已有研究成果的基础上,结合接触理论及分形理论,对现有一些理论模型的不足之处进行了修正,建立了一种新的基于弹塑性理论的分形接触热网络模型。仿真结果表明,该新模型由于充分其考虑了接触面的变形情况,能较好地预测界面接触热导。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
图索引  8-10
表索引  10-11
第一章 绪论  11-21
  1.1 高超声速飞行器的热环境  11-12
  1.2 热防护系统  12-16
    1.2.1 热防护系统的要求  12-13
    1.2.2 热防护系统典型结构及材料  13-16
  1.3 金属热防护系统  16-19
    1.3.1 金属热防护系统的主要优点  16-19
  1.4 本文主要工作  19-21
第二章 新型金属热防护系统的原理设计  21-26
  2.1 喷雾冷却技术  21-23
    2.1.1 喷雾传热机制  21-22
    2.1.2 喷雾传热影响因素  22-23
  2.2 基于喷雾冷却技术的新型金属热防护系统的初步方案设计  23-24
  2.3 本文设计方案的技术特点及关键技术分析  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章 热防护系统总体设计技术研究  26-41
  3.1 设计原理  26-37
    3.1.1 总体设计流程  26-34
    3.1.2 TPS 单元传热计算  34-37
  3.2 设计方法  37-38
    3.2.1 多学科优化设计方法  37
    3.2.2 iSIGHT 软件简介  37
    3.2.3 设计过程的实现  37-38
  3.3 计算结果  38-40
  3.4 本章小结  40-41
第四章 专用高温热管设计技术研究  41-60
  4.1 工作原理  41-42
  4.2 热管理论  42-44
    4.2.1 Cotter 理论  42-44
  4.3 热管的传热极限  44-52
    4.3.1 毛细限  44-49
    4.3.2 声速限  49-51
    4.3.3 携带限  51-52
  4.4 热管设计  52-59
    4.4.1 设计要求  53
    4.4.2 工质和管壳材料的选择  53-55
    4.4.3 管壳设计  55-56
    4.4.4 管芯设计  56-59
    4.4.5 设计结果  59
  4.5 本章小结  59-60
第五章 接触热阻形成机理及其分析方法研究  60-95
  5.1 接触热阻的研究意义  60-61
  5.2 接触热阻的定义  61-62
  5.3 影响接触热阻的因素  62-63
  5.4 粗糙表面的形貌描述  63-69
    5.4.1 表面形貌的统计理论  63-65
    5.4.2 表面形貌的分形描述  65-69
  5.5 粗糙面的变形模型  69-77
    5.5.1 Hertz 弹性接触理论  69-73
    5.5.2 经典弹性接触模型  73-76
    5.5.3 经典塑性接触模型  76-77
  5.6 经典接触热阻模型  77-83
    5.6.1 单点接触导热模型  77-80
    5.6.2 接触热导关系式  80-83
  5.7 新型分型接触热阻模型  83-91
    5.7.1 接触点的分布规律  83-84
    5.7.2 接触面的变形性质  84-89
    5.7.3 热网络模型  89-91
  5.8 分形接触热阻模型的求解及结果分析  91-94
    5.8.1 分形接触热阻模型的求解  91-93
    5.8.2 结果分析与讨论  93-94
  5.9 本章小结  94-95
第六章 总结与展望  95-97
  6.1 总结  95
  6.2 展望  95-97
参考文献  97-101
致谢  101-102
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  102-105
上海交通大学硕士学位论文答辩决议书  105

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 辅助设备
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