[發(fā)明專(zhuān)利]基于支流管道與壁面凹陷組合強(qiáng)化傳熱方法的高超聲速前緣冷卻設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210924949.5
• 申請(qǐng)日: 2022-08-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115158657A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李佳偉;王戰(zhàn);沈煊;周勇健;李憲開(kāi);張安坤
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所揚(yáng)州協(xié)同創(chuàng)新研究院有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): B64C30/00
• 分類(lèi)號(hào): B64C30/00;B64F5/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專(zhuān)利中心 21200
• 代理人: 劉秋彤;梅洪玉

本發(fā)明提供了基于支流管道與壁面凹陷組合強(qiáng)化傳熱方法的高超聲速前緣冷卻設(shè)計(jì)方法，適用于高超聲速飛行器中氣動(dòng)熱問(wèn)題嚴(yán)峻的前緣區(qū)域，涉及一種基于支流管道與壁面凹陷組合強(qiáng)化傳熱方法的高超聲速前緣冷卻技術(shù)，通過(guò)加支流管道與增加管道壁面弧形凹陷的組合方案實(shí)現(xiàn)冷卻劑分流和增大管道壁面粗糙度從而強(qiáng)化傳熱。本發(fā)明通過(guò)一種基于支流管道與壁面凹陷組合強(qiáng)化傳熱方法的高超聲速前緣冷卻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在有限冷源情況下提高主動(dòng)對(duì)流冷卻技術(shù)的冷卻工質(zhì)的傳熱能力，增強(qiáng)主動(dòng)冷卻技術(shù)的降熱效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于支流管道與壁面凹陷組合強(qiáng)化傳熱方法的高超聲速前緣冷卻設(shè)計(jì)方法，適用于在有限冷源情況下提高主動(dòng)對(duì)流冷卻技術(shù)冷卻工質(zhì)的傳熱能力。

背景技術(shù)

超高聲速飛行器的快速發(fā)展給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。飛行過(guò)程中飛行器受激波作用的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)高壓和加熱現(xiàn)象。典型的關(guān)注區(qū)域是機(jī)翼、尾翼、控制面壓縮角以及在機(jī)翼/機(jī)身表面接合處的軸向角區(qū)域。對(duì)于吸氣式飛行器，因?yàn)樾枰ㄟ^(guò)最大化空氣捕獲來(lái)最大化發(fā)動(dòng)機(jī)推力，發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩前緣的氣動(dòng)加熱問(wèn)題尤其值得關(guān)注，激波會(huì)在整流罩前緣產(chǎn)生極高的壓力和熱量，這取決于它們與整流罩弓形激波的相交位置。峰值壓力和加熱也取決于馬赫數(shù)、雷諾數(shù)、氣體成分和激波強(qiáng)度。

高超聲速飛行器的熱防護(hù)技術(shù)種類(lèi)繁雜、各式各樣，適用場(chǎng)合和作用效果也不盡相同。其中，對(duì)流冷卻技術(shù)是一種典型的主動(dòng)熱防護(hù)方案。高超聲速飛行器作長(zhǎng)航時(shí)飛行過(guò)程中，通過(guò)冷卻劑在管道中的流動(dòng)以吸收并帶走結(jié)構(gòu)中的熱量，從而大幅度降低結(jié)構(gòu)的溫度，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)的作用，其冷卻效果顯著，適用于長(zhǎng)航時(shí)、大熱流密度、可重復(fù)使用的飛行器。除此之外，對(duì)流冷卻技術(shù)還以飛行器自身攜帶的燃料作為冷卻工質(zhì)，在不額外增加飛行器質(zhì)量的情況下，燃料流過(guò)冷卻管道后通過(guò)吸收結(jié)構(gòu)中的熱量，對(duì)自身進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的燃料進(jìn)入燃燒室后充分燃燒，熱量又被得到利用，通常這也稱(chēng)為再生冷卻技術(shù)。這種雙重優(yōu)勢(shì)使對(duì)流冷卻熱防護(hù)技術(shù)具備了巨大的發(fā)展?jié)摿Γ呀?jīng)成為當(dāng)前世界各國(guó)在高超聲速熱防護(hù)技術(shù)方面的研究熱點(diǎn)。

主動(dòng)對(duì)流冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使其具備了廣闊的發(fā)展前景，但是當(dāng)前這種熱防護(hù)技術(shù)仍然面臨著眾多亟待改善的問(wèn)題。例如，在對(duì)流冷卻技術(shù)依靠飛行器自身攜帶的燃料對(duì)高溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻時(shí)，有限的冷卻劑嚴(yán)重的制約了其快速發(fā)展，因而設(shè)計(jì)者們迫切地希望可以在有限冷源的情況下，提高冷卻工質(zhì)的傳熱能力。通過(guò)改變影響傳熱過(guò)程的各種因素以使等量的冷卻劑吸收更多的熱量，即為強(qiáng)化傳熱，當(dāng)前，最常用的強(qiáng)化傳熱技術(shù)包括增加管道壁面粗糙度(凹陷或突起)、改變管道的長(zhǎng)寬比、加肋、管道分流和擾流裝置等。

強(qiáng)化傳熱技術(shù)自受到關(guān)注以來(lái)，至今也取得了突出的研究進(jìn)展。Ulas指出，通過(guò)增加冷卻通道的高寬比，可以在不增加通道壓降的情況下進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的壁面溫度。李浩瀚數(shù)值分析了不同通道直徑對(duì)冷卻劑流動(dòng)換熱特性的影響，研究結(jié)果表明當(dāng)冷卻劑質(zhì)量流量保持不變時(shí)，減小通道尺寸會(huì)導(dǎo)致通道內(nèi)的冷卻劑流動(dòng)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)之間的耦合作用增強(qiáng)。王鵬恩分析了擾流裝置對(duì)結(jié)構(gòu)傳熱特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)球凸結(jié)構(gòu)能夠有效的改善冷卻劑的流動(dòng)換熱效果，而球凹結(jié)構(gòu)能夠減小冷卻通道中壓力的降低幅度。Youn探究了最佳冷卻劑質(zhì)量流量對(duì)矩形截面冷卻通道壁面粗糙程度的敏感性，結(jié)果表明在相同的冷卻劑質(zhì)量流量下，適當(dāng)增大壁面的粗糙度能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的傳熱效率。Sumanta數(shù)值分析了正方形、三角形、圓形和淚滴型四種不同形狀的凹陷對(duì)結(jié)構(gòu)傳熱特性的影響^[50]，基于計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，他認(rèn)為在所研究的四種凹陷形狀中，淚滴型凹陷具備最佳的換熱性能。

但目前已有的強(qiáng)化傳熱技術(shù)也有著一些技術(shù)問(wèn)題，例如增加支流管道的強(qiáng)化傳熱方法雖然可以使總體傳熱性能提高，但是結(jié)構(gòu)前緣的局部位置溫度會(huì)上升，這也就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外緣與管道內(nèi)壁的最高溫度上升。此外，目前已有的強(qiáng)化傳熱方法多采用單一的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，例如減小冷卻劑流動(dòng)通道直徑尺寸或增大流動(dòng)通道表面粗糙度等方法雖然可以增強(qiáng)傳熱效率，但提升效果都不是很明顯。

發(fā)明內(nèi)容