[發(fā)明專利]一種應(yīng)用于高馬赫數(shù)噴管喉道的冷卻裝置及其構(gòu)造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510129167.2
• 申請(qǐng)日: 2015-03-24
• 公開（公告）號(hào): CN104776973B
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 仲峰泉;邢云緋;張新宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院力學(xué)研究所
• 主分類號(hào): G01M9/04
• 分類號(hào): G01M9/04
• 代理公司: 北京和信華成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11390
• 代理人: 胡劍輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高超聲速推進(jìn)風(fēng)洞的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種應(yīng)用于高馬赫數(shù)噴管喉道的冷卻裝置，以及這種冷卻裝置的構(gòu)造方法。

背景技術(shù)

高超聲速飛行器及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展極大地依賴于地面風(fēng)洞設(shè)備的建設(shè)。其中，能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的高超聲速推進(jìn)風(fēng)洞是研究發(fā)動(dòng)機(jī)性能與熱防護(hù)技術(shù)必不可少的設(shè)備。高超聲速推進(jìn)風(fēng)洞的關(guān)鍵部件之一是能夠產(chǎn)生高超聲速氣流的噴管。噴管通過橫截面先收縮、后擴(kuò)張的變化方式對(duì)氣流進(jìn)行加速，在出口形成高速氣流。因此，噴管喉道(橫截面最小處)均具有微小尺寸，如圖1所示。例如，對(duì)于馬赫數(shù)6、出口為500×500mm的二維噴管，喉道高度僅為5.5毫米。高溫、高速氣流的沖刷將對(duì)噴管喉道產(chǎn)生顯著的熱載荷。仍以馬赫數(shù)6、二維噴管為例，當(dāng)氣流總溫為1650K、總壓5.5MPa時(shí)，噴管喉道處的熱流密度將高達(dá)13MW/m²，與宇宙飛船再入大氣層的峰值熱流接近。在如此高熱流條件下，如何保證噴管喉道結(jié)構(gòu)的可靠性一直是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行風(fēng)洞的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。

對(duì)于高馬赫數(shù)噴管，常用的冷卻方式是在噴管結(jié)構(gòu)中構(gòu)造圓形或者矩形截面通道，將冷卻劑導(dǎo)入通道內(nèi)，利用對(duì)流換熱機(jī)制吸收管壁熱量、降低壁溫。例如，日本航空宇宙研究所(JAXA)建造的超聲速自由射流試車臺(tái)(RJTW)包括馬赫數(shù)4、6的二維矩形噴管。噴管采用高壓水冷系統(tǒng)，通道由深孔轉(zhuǎn)頭沿展向加工，形成圓形冷卻通道。美國Glenn研究中心建造的馬赫數(shù)6自由射流風(fēng)洞(HTW)，其主噴管也采用了圓形水冷通道結(jié)構(gòu)。國內(nèi)中科院力學(xué)所、中國航天科工集團(tuán)31研究所、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位也先后建造了長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的超聲速推進(jìn)風(fēng)洞。對(duì)于軸對(duì)稱噴管，冷卻通道大多采用了螺旋形式矩形槽；而對(duì)于二維、三維矩形噴管，大多采用了沿流向的矩形槽或者沿展向的圓形槽。總之，國內(nèi)外對(duì)于噴管冷卻通道一般均采用橫截面保持不變的圓形或者矩形(包括方形)通道。采用橫截面不變的通道設(shè)計(jì)可以保證冷卻液在通道中的流動(dòng)與換熱參數(shù)基本不變，確保冷卻效率的均勻性。但是，對(duì)于高馬赫數(shù)噴管，如圖2所示，其熱載荷僅在喉道處極高，而在喉道的上下游熱載荷將迅速降低(僅為喉道熱流的十分之一甚至幾十分之一)?？梢姡捎脠A形或者矩形通道的冷卻設(shè)計(jì)思路將不能充分利用噴管喉道熱流分布特點(diǎn)，冷卻裝置的整體換熱效率較低。

眾所周知，管道湍流換熱系數(shù)與管道雷諾數(shù)的0.8方成正比，即在流量一定的前提下，換熱系數(shù)與通道水力直徑的0.8成反比?？梢?，在局部極高熱流區(qū)域可以通過改變通道截面來提高局部換熱系數(shù)，從而提高冷卻裝置的整體換熱性能，同時(shí)又可以避免冷卻液持續(xù)高速導(dǎo)致的高流阻損失。因此，變截面設(shè)計(jì)是冷卻高馬赫數(shù)噴管的一條有效的途徑。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種應(yīng)用于高馬赫數(shù)噴管喉道的冷卻裝置,其使得冷卻液在熱流最高的喉道處具有最大換熱性能，并且具有流動(dòng)無分離、流阻小的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：這種應(yīng)用于高馬赫數(shù)噴管喉道的冷卻裝置，其包括冷卻液依次流過的進(jìn)水孔、進(jìn)口匯流槽、冷卻通道、出口匯流槽、出水孔，冷卻通道是兩個(gè)肋之間的空隙或一個(gè)肋與冷卻裝置的壁面之間的空隙，肋的尺寸按照橢圓曲線方程(1)設(shè)計(jì)：

其中L是冷卻通道總長(zhǎng)度，H₁、H₀分別是最大、最小肋寬，x、y分別是肋上任一點(diǎn)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)，原點(diǎn)是肋的中心。

冷卻液通過本發(fā)明的變截面冷卻通道在喉道處加速到最大速度并獲得最大換熱性能，確保具有極高熱流的喉道壁溫控制在安全使用范圍之內(nèi)；按照橢圓曲線方程的肋使得本發(fā)明的冷卻裝置具有流動(dòng)無分離、流阻小等優(yōu)點(diǎn)。

還提供了一種應(yīng)用于高馬赫數(shù)噴管喉道的冷卻裝置的構(gòu)造方法，包括以下步驟：

(1)開始；

(2)確定高馬赫數(shù)噴管喉道的熱流分布；

(3)確定冷卻液流量；

(4)確定冷卻通道的最小、最大寬度P₁、P₀；

(5)根據(jù)公式(1)確定肋上各點(diǎn)的坐標(biāo)x、y；

(6)確定進(jìn)口匯流槽寬M、出口匯流槽寬N、槽深W、進(jìn)水孔直徑D1、出水孔直徑D2；

(7)獲得喉道的換熱系數(shù)；

(8)獲得喉道壁面的溫度分布；

(9)判斷最高壁面溫度是否小于安全使用溫度，是則執(zhí)行步驟(10)，否則執(zhí)行步驟(3)；

(10)判斷流阻是否小于預(yù)定要求，是則執(zhí)行步驟(11)，否則執(zhí)行步驟(6)；

(11)確定該冷卻裝置的參數(shù)。

附圖說明