發(fā)布時(shí)間：2017-09-07 04:22

  本文關(guān)鍵詞：高溫與超音速條件下發(fā)汗冷卻基礎(chǔ)問(wèn)題研究

  更多相關(guān)文章： 發(fā)汗冷卻 超音速 熱防護(hù) 高溫 非熱平衡

【摘要】：隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展,高速飛行器受熱部件的工作環(huán)境愈發(fā)苛刻。發(fā)汗冷卻技術(shù)具有冷卻效率高、冷卻劑消耗量小等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)展超音速或高溫主流條件下發(fā)汗冷卻的流動(dòng)換熱規(guī)律研究對(duì)飛行器的關(guān)鍵部位熱防護(hù)具有重要意義。已有的超音速發(fā)汗冷卻研究多采用主流橫掠平板的結(jié)構(gòu),而真實(shí)的流場(chǎng)中不可避免的存在激波的影響。本文在Ma=2.8的超音速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展了激波對(duì)超音速平板發(fā)汗冷卻影響的實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)紋影儀觀測(cè)主流流場(chǎng)、紅外熱像儀獲取多孔表面溫度信息,并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果,研究和揭示了激波對(duì)超音速平板發(fā)汗冷卻的影響機(jī)理。結(jié)果表明斜激波入射多孔平板表面后引起壁面恢復(fù)溫度升高而引入附加熱流,同時(shí)局部的靜壓升高阻礙冷卻流體流出,導(dǎo)致壁面溫度升高。揭示了不同激波入射強(qiáng)度、材料性質(zhì)與冷卻劑特性對(duì)發(fā)汗冷卻效果的影響規(guī)律。本文將發(fā)汗冷卻用作超燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴注支板結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)手段,采用甲烷氣體與RP3航空煤油作為冷卻工質(zhì),成功完成了Ma=2.5、總溫1700 K以上的高溫高速主流中的搭載實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),傾斜支板比垂直支板具有更好的發(fā)汗冷卻效果。建立了實(shí)驗(yàn)真實(shí)結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值計(jì)算模型,研究了不同冷卻劑進(jìn)口條件、不同多孔材料性質(zhì)、不同支板傾斜角度條件下冷卻效果及燃料滯留時(shí)間。結(jié)果表明提高注入率對(duì)延長(zhǎng)主流的滯留時(shí)間有益,但受到結(jié)構(gòu)耐壓能力的限制與注入特性影響導(dǎo)致并不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)支板的后掠角度在30°附近時(shí),冷卻效果最佳。針對(duì)發(fā)汗冷卻的傳熱過(guò)程,建立了考慮多孔介質(zhì)內(nèi)非熱平衡效應(yīng)的熱阻簡(jiǎn)化分析模型,理論求解了耦合邊界條件下的多孔區(qū)域與主流區(qū)域的溫度分布。指出了考慮非熱平衡效應(yīng)時(shí)交界面上熱流分配機(jī)制,在一定條件下可將熱流分配的耦合邊界條件簡(jiǎn)化成熱流完全分配給固相的熱邊界條件。搭建了主流溫度最高可達(dá)1000 K的中高溫發(fā)汗冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái),以空氣為冷卻劑,實(shí)驗(yàn)研究了不同顆粒直徑青銅燒結(jié)多孔平板的發(fā)汗冷卻換熱規(guī)律,并采用局部非熱平衡模型開(kāi)展了數(shù)值模擬。揭示了主流工況、冷卻流的注入率與顆粒直徑對(duì)發(fā)汗冷卻效果與多孔非熱平衡效應(yīng)的影響。在此基礎(chǔ)上,采用純水作為冷卻工質(zhì),初步探索了發(fā)汗冷卻過(guò)程中出現(xiàn)相變的冷卻特性,結(jié)果表明相變發(fā)汗冷卻冷卻效率更高,但在平板上游由于冷卻劑膜層薄,熱流密度大,存在局部過(guò)熱區(qū)域。
【關(guān)鍵詞】：發(fā)汗冷卻 超音速 熱防護(hù) 高溫 非熱平衡
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：V233.5
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-11
• 第1章 緒論11-32
• 1.1 課題的背景11-17
• 1.1.1 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室關(guān)鍵部件冷卻11-12
• 1.1.2 高超聲速飛行器關(guān)鍵部件熱防護(hù)12-16
• 1.1.3 發(fā)汗冷卻技術(shù)16-17
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-30
• 1.2.1 發(fā)汗冷卻傳熱與流動(dòng)理論研究18-22
• 1.2.2 多孔介質(zhì)內(nèi)傳熱特性研究22-25
• 1.2.3 發(fā)汗冷卻數(shù)值模型研究25-28
• 1.2.4 發(fā)汗冷卻應(yīng)用基礎(chǔ)研究28-30
• 1.3 已有研究的不足30-31
• 1.4 本文研究?jī)?nèi)容31-32
• 第2章 超音速條件下激波對(duì)多孔平板發(fā)汗冷卻影響規(guī)律研究32-78
• 2.1 本章引論32-33
• 2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)33-42
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述33-36
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與觀測(cè)36-41
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟41-42
• 2.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差分析42-43
• 2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析43-60
• 2.4.1 燒結(jié)多孔平板發(fā)汗冷卻受激波影響的流場(chǎng)結(jié)果43-48
• 2.4.2 燒結(jié)多孔平板發(fā)汗冷卻過(guò)程的傳熱分析48-58
• 2.4.3 燒結(jié)多孔平板發(fā)汗冷卻效率分析58-60
• 2.5 數(shù)值模擬研究60-73
• 2.5.1 物理模型60
• 2.5.2 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分60-63
• 2.5.3 計(jì)算設(shè)置63-64
• 2.5.4 計(jì)算模型的驗(yàn)證64-66
• 2.5.5 計(jì)算結(jié)果分析與討論66-73
• 2.6 激波對(duì)平板發(fā)汗冷卻的破壞機(jī)理分析73-76
• 2.6.1 激波的影響機(jī)理一73-75
• 2.6.2 激波的影響機(jī)理二75-76
• 2.7 本章小結(jié)76-78
• 第3章 高溫與超音速條件下支板發(fā)汗冷卻規(guī)律研究78-104
• 3.1 本章引論78
• 3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)件78-82
• 3.3 物理量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量82-85
• 3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論85-89
• 3.4.1 以甲烷為冷卻氣體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果85-87
• 3.4.2 以RP3煤油為冷卻劑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果87-89
• 3.5 數(shù)值模擬分析89-102
• 3.5.1 物理模型與網(wǎng)格劃分90-92
• 3.5.2 計(jì)算設(shè)置與模型驗(yàn)證92-93
• 3.5.3 計(jì)算結(jié)果分析與討論93-102
• 3.6 本章小結(jié)102-104
• 第4章 發(fā)汗冷卻過(guò)程中多孔介質(zhì)內(nèi)局部非熱平衡效應(yīng)分析104-124
• 4.1 本章引論104-105
• 4.2 發(fā)汗冷卻系統(tǒng)中傳熱過(guò)程分析105-108
• 4.3 模型的建立與求解108-115
• 4.3.1 方程的無(wú)量綱化111-113
• 4.3.2 模型求解結(jié)果113-115
• 4.4 分析與討論115-122
• 4.4.1 模型的驗(yàn)證115-119
• 4.4.2 多孔壁面與主流交界面上熱流分配規(guī)律的分析與簡(jiǎn)化119-122
• 4.5 本章小結(jié)122-124
• 第5章 高溫主流條件下平板發(fā)汗冷卻實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬124-155
• 5.1 本章引論124
• 5.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概況124-137
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)124-132
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量132-136
• 5.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟136-137
• 5.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差分析137-138
• 5.4 單相發(fā)汗冷卻實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析138-146
• 5.4.1 不同注入率的影響138-140
• 5.4.2 不同主流風(fēng)速的影響140-141
• 5.4.3 不同主流溫度的影響141-144
• 5.4.4 主流溫度與多孔顆粒直徑對(duì)多孔表面非熱平衡效應(yīng)的影響144-146
• 5.5 單相發(fā)汗冷卻數(shù)值模擬146-150
• 5.5.1 物理模型與網(wǎng)格劃分146-147
• 5.5.2 數(shù)值模型147-148
• 5.5.3 計(jì)算結(jié)果與分析148-150
• 5.6 相變發(fā)汗冷卻實(shí)驗(yàn)研究150-154
• 5.7 本章小結(jié)154-155
• 第6章 工作總結(jié)與未來(lái)展望155-158
• 6.1 全文總結(jié)155-156
• 6.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)156-157
• 6.3 未來(lái)工作建議與展望157-158
• 參考文獻(xiàn)158-167
• 致謝167-169
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果169-170

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 王q，

本文編號(hào)：807388