超声速主流平板相变发汗冷却实验研究

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。     

发汗冷却喷管多孔壁面的分段设计分析

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.      

液体火箭发动机推力室发汗冷却传热过程的数值模拟(Ⅱ)数值方法与计算结果

对液体火箭发动机推力室发汗冷却传热过程的二维局部非热平衡模型进行了数值计算。计算中采用了正交曲线坐标系（贴体坐标）,并计及了冷却剂（氢）的热物性参数随温度和压力的剧烈变化及固体壁沿轴向的导热。结果表明：推力室多孔壁面中靠近燃烧室的部分温度梯度很大;固体骨架与冷却剂的温度差异在推力室内壁面上最大;推力室多孔壁面材料导热系数的提高有利于降低壁面温度及温度梯度;随着冷却剂流量的增大,推力室壁中的最高温度明显下降;若设计合理,发汗冷却所需要的冷却剂的量只占总流量的２％左右。     

层板推力室发汗冷却壁温特性的初步研究

对液体火箭发动机发汗冷却层板推力室的壁温特性进行了初步研究,通过建立一维固液耦合温差模型,利用有限体积法,计算得到沿推力室径向层板固体和冷却剂的温度分布,并对影响壁温特性的各种因素进行了计算分析,包括冷却剂流量、层板导热系数和冷却通道尺寸等.结果表明:冷却剂流量是控制层板结构温度的重要参数;层板应该采用一种导热系数适中的材料,过大或过小导热系数的材料都不利于推力室的整体性能;较大的冷却通道宽高比有利于层板向冷却剂导热;冷却通道内的换热效率与冷却剂流量和层板导热系数有关.      

典型结构的层板发汗冷却推力室传热特性的推算方法

针对典型的层板发汗冷却结构,提出了利用一个推力室的实验数据来计算另一推力室所需发汗流强的方法。在一种发动机推力室壁面发汗冷却实验数据测出以后,对同一发动机或另一发动机推力室壁采用不同的冷却剂、不同的壁面材料时的受热壁面工作温度与发汗流强的关系,由迭代计算完成。作为分析实例,利用氦气发汗冷却的试验数据对氢气发汗冷却流强进行了计算,其结果得到了实验的验证。     

不同材料发汗冷却结构下氢冷却性能

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3 600 K,主流空气流量为220~1 490 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。      

单相液体发汗冷却规律实验

以超燃冲压发动机内支板结构的热防护问题为背景,制备了全烧结金属多孔介质支板结构,并对以液态水为冷却工质的发汗冷却特性进行了实验研究.实验结果表明:液态水发汗冷却能有效地减少支板壁面和高温流体之间的换热,当注入率为2%时,冷却效率可以高达93%;随注入率增大,发汗冷却的冷却效率趋近于100%,增幅逐渐减小;在该实验所采用的两种不同主流温度条件下,相同注入率、相同位置的冷却效率近似相等.对发汗冷却的冷却剂停止供应后的支板表面温度热响应特性进行了初步研究,根据支板内液态水蒸发的过程分3个阶段进行了分析.      

热防护用发汗冷却技术的研究进展（I）——冷却方式分类、发汗冷却材料及其基本理论模型

综述了国内外航天热防护用冷却技术的分类、发汗冷却材料研究现状以及发汗冷却技术理论模型的研究进展。比较分析了发汗冷却技术与其他冷却技术的优缺点，并对发汗冷却技术的理论模型作了初步的探讨。     

丙二醇改性水溶液的发汗冷却实验研究

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1.2×10⁴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,这对有效且高效的热防护系统设计具有重要意义。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。     

热防护用发汗冷却技术的研究进展(Ⅰ)--冷却方式分类、发汗冷却材料及其基本理论模型

综述了国内外航天热防护用冷却技术的分类、发汗冷却材料研究现状以及发汗冷却技术理论模型的研究进展.比较分析了发汗冷却技术与其他冷却技术的优缺点,并对发汗冷却技术的理论模型作了初步的探讨.     

液体火箭发动机推力室发汗冷却传热过程的数值模拟 (Ⅰ)数理模型

针对液体火箭发动机推力室的发汗冷却传热过程建立了数理模型。模型中考虑了冷却剂与结构材料之间存在温差、并进行对流换热,即采用了局部非热平衡模型。同时,模型中还计及了冷却剂（氢）的热物性参数随温度和压力的剧烈变化及固体壁沿轴向的导热过程。     

一次调节通道流阻特性的数值模拟

为了研究冷却剂在层板发汗冷却推力室一次调节通道中的流动特性，引入了粗糙粘度μR的概念及其计算式，用有效粘度μ1,eff代替分子粘度μ，导出了冷却剂在一次调节通道中层流流动的N—S方程并对其进行了数值求解。计算结果表明，利用μ1,eff＝μR μ代数模型计算得到的流动结果与试验数据吻合较好，说明冷却剂在Dh≈0．16mm--18mm的一次调节通道中层流流动时，可不计微小尺度的效应，但应考虑壁面粗糙度对流动的影响。     

液体火箭发动机推力室发汗冷却传热过程的数值模拟：（II）数值方法与计算结

对液体火箭发动机推力室发汗冷却传热过程的二维局部非热平衡模型进行了数值计算,计算吸要用了正交曲线坐标系（贴体坐标）并计及冷却剂（氢）的热物性参数随温度和压力的剧列变化及固体壁沿轴向的导热,结果表明,推力室多孔壁面中靠近燃烧室的部分温度梯度很大,固体骨架与冷却剂的温度差异在推力室内壁面上最大,推力室多孔壁面材料导热系数的提高有利于降低壁面温度及温度梯度;随着冷却剂流量的增大,推力室臂吉的最高温度明显     

单相自适应发汗鼻锥及其气动防热的工程评估方法

本文概述了三种类型发汗冷却鼻锥的优缺点;对双相自适应发汗鼻锥进行了质疑;提出了单相自适应发汗概念及其气动防热的工程评估方法;进行了评估例算。结果表明:单相方案在与双相方案外形、体积及防热能力基本相同的情况下,可减重约6.6公斤,内腔压力降低约200大气压,内腔温度降低约100℃。此外,单相方案还有可能克服双相方案会遇到的驱动剂与冷却剂“反位”及可能使再入通讯的“黑障”问题恶化的隐患。     

高速再入发汗热防护效果计算与试验研究

针对强制发汗热防护用于高速再入飞行器抵抗气动加热引起的物面烧蚀的效果和可行性问题开展计算与试验研究。计算采用粘性高温多组分反应气体分析方法考虑来流空气与发汗介质的相互作用及组分反应。结果表明,在10 m/s发汗速率条件下,发汗物面热流密度已经降低了75%,在20 m/s发汗速率条件下则已经降低了99%。根据计算结果制备满足渗透率参数的发汗材料并完成发汗装置设计和防热效果电弧风洞试验验证。结果表明,发汗物面温升不足100 K。理论计算与地面试验验证表明,针对高速再入条件,发汗主动热防护可有效降低物面气动加热,可作为高速再入航天器防热备选方案。     

一维、稳态、非热平衡发汗冷却的解析解研究

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。      

镍基高温合金多孔发汗材料的制备工艺研究

针对高超声速武器发动机对耐高温金属多孔发汗冷却材料的需求,本文以镍基高温合金为研究对象,通过粉末粒度选型、成形和烧结工艺的综合调控,制备出了孔结构均匀的多孔发汗材料,并对其性能进行分析。结果表明,制备的多孔发汗材料最大孔径<21.3μm,抗拉强度> 225 MPa,孔隙率> 25%;通过原料及制备工艺的调控,可实现发汗冷却材料的渗透率在10^-13～10^-12 m²范围内的有效控制;对多孔发汗材料的拉伸数据及断口形貌进行分析与表征,并证实其断裂方式为韧性断裂。     

冷却剂/氧化剂组合式SteamJet发动机特性

为了系统深入地研究冷却剂/氧化剂组合式射流预冷却涡轮发动机(SteamJet)的发动机特性,建立了射流预冷却的热交换系统计算、物性修正计算、发动机部件特性修正计算和含氧化剂的燃烧室计算的数学模型,在此基础上,建立了基于双轴混排加力式涡扇发动机的SteamJet发动机性能计算模型,并编制了相应的计算程序。初步设计了SteamJet发动机的最大加力状态控制规律,计算分析了SteamJet发动机在不同冷却剂/氧化剂配比下沿飞行轨道的特性,并据此提出了影响冷却剂/氧化剂配比选择的主要因素;对冷却剂/氧化剂组合式SteamJet发动机进行了高度速度特性的计算和分析。结果表明,与喷水预冷却的SteamJet发动机相比,冷却剂/氧化剂组合式SteamJet发动机具有更好的燃烧稳定性和推力特性,能够满足高超声速飞行的需求。     

单相自适应发汗冷却气动防热效果初探

对一种新颖的发汗冷却——单相自适应发汗冷却的气动防热效果进行了初步探索试验,证明了这种发汗冷却原理可行,气动防热效果明显,为进一步研究提供了感性认识和半定量的试验结果。     

多孔陶瓷氢气发汗冷却特性研究

为了研究复合材料微孔发汗冷却热防护技术,研究了冷冻浇注成型工艺定向直孔道碳化硅多孔陶瓷在高压高热流密度时氢气的发汗冷却特性。用电弧加热主流空气产生高温燃气、氢气发汗冷却对多孔陶瓷材料进行了13次热试验研究。试验的材料孔隙率为10~28%,燃烧室压力为3.6~7.9MPa,冷却氢气注入率为0.008~0.021。试验表明,当多孔陶瓷材料氢发汗冷却的注入率为1%时,主流高温燃气与微孔壁面之间的换热减少了30%以上。多孔陶瓷材料氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。研究得出了陶瓷多孔材料在高压大热流环境下用氢气发汗冷却的性能关联式。