基于支流管道与壁面凹陷组合强化传热方法的高超声速前缘冷却设计方法技术

本发明专利技术提供了基于支流管道与壁面凹陷组合强化传热方法的高超声速前缘冷却设计方法，适用于高超声速飞行器中气动热问题严峻的前缘区域，涉及一种基于支流管道与壁面凹陷组合强化传热方法的高超声速前缘冷却技术，通过加支流管道与增加管道壁面弧形凹陷的组合方案实现冷却剂分流和增大管道壁面粗糙度从而强化传热。本发明专利技术通过一种基于支流管道与壁面凹陷组合强化传热方法的高超声速前缘冷却技术，实现在有限冷源情况下提高主动对流冷却技术的冷却工质的传热能力，增强主动冷却技术的降热效果。热效果。热效果。

【技术实现步骤摘要】
基于支流管道与壁面凹陷组合强化传热方法的高超声速前缘冷却设计方法


[0001]本专利技术涉及一种基于支流管道与壁面凹陷组合强化传热方法的高超声速前缘冷却设计方法，适用于在有限冷源情况下提高主动对流冷却技术冷却工质的传热能力。

技术介绍

[0002]超高声速飞行器的快速发展给设计者带来了许多挑战。飞行过程中飞行器受激波作用的区域会出现高压和加热现象。典型的关注区域是机翼、尾翼、控制面压缩角以及在机翼/机身表面接合处的轴向角区域。对于吸气式飞行器，因为需要通过最大化空气捕获来最大化发动机推力，发动机整流罩前缘的气动加热问题尤其值得关注，激波会在整流罩前缘产生极高的压力和热量，这取决于它们与整流罩弓形激波的相交位置。峰值压力和加热也取决于马赫数、雷诺数、气体成分和激波强度。
[0003]高超声速飞行器的热防护技术种类繁杂、各式各样，适用场合和作用效果也不尽相同。其中，对流冷却技术是一种典型的主动热防护方案。高超声速飞行器作长航时飞行过程中，通过冷却剂在管道中的流动以吸收并带走结构中的热量，从而大幅度降低结构的温度，实现热防护的作用，其冷却效果显著，适用于长航时、大热流密度、可重复使用的飞行器。除此之外，对流冷却技术还以飞行器自身携带的燃料作为冷却工质，在不额外增加飞行器质量的情况下，燃料流过冷却管道后通过吸收结构中的热量，对自身进行预热，预热后的燃料进入燃烧室后充分燃烧，热量又被得到利用，通常这也称为再生冷却技术。这种双重优势使对流冷却热防护技术具备了巨大的发展潜力，已经成为当前世界各国在高超声速热防护技术方面的研究热点。
[0004]主动对流冷却技术的优势使其具备了广阔的发展前景，但是当前这种热防护技术仍然面临着众多亟待改善的问题。例如，在对流冷却技术依靠飞行器自身携带的燃料对高温结构进行冷却时，有限的冷却剂严重的制约了其快速发展，因而设计者们迫切地希望可以在有限冷源的情况下，提高冷却工质的传热能力。通过改变影响传热过程的各种因素以使等量的冷却剂吸收更多的热量，即为强化传热，当前，最常用的强化传热技术包括增加管道壁面粗糙度(凹陷或突起)、改变管道的长宽比、加肋、管道分流和扰流装置等。
[0005]强化传热技术自受到关注以来，至今也取得了突出的研究进展。Ulas指出，通过增加冷却通道的高宽比，可以在不增加通道压降的情况下进一步降低结构的壁面温度。李浩瀚数值分析了不同通道直径对冷却剂流动换热特性的影响，研究结果表明当冷却剂质量流量保持不变时，减小通道尺寸会导致通道内的冷却剂流动、传热和化学反应之间的耦合作用增强。王鹏恩分析了扰流装置对结构传热特性的影响，研究发现球凸结构能够有效的改善冷却剂的流动换热效果，而球凹结构能够减小冷却通道中压力的降低幅度。Youn探究了最佳冷却剂质量流量对矩形截面冷却通道壁面粗糙程度的敏感性，结果表明在相同的冷却剂质量流量下，适当增大壁面的粗糙度能够显著提高结构的传热效率。Sumanta数值分析了正方形、三角形、圆形和泪滴型四种不同形状的凹陷对结构传热特性的影响
[50]，基于计算
结果和试验结果的对比分析，他认为在所研究的四种凹陷形状中，泪滴型凹陷具备最佳的换热性能。
[0006]但目前已有的强化传热技术也有着一些技术问题，例如增加支流管道的强化传热方法虽然可以使总体传热性能提高，但是结构前缘的局部位置温度会上升，这也就导致结构外缘与管道内壁的最高温度上升。此外，目前已有的强化传热方法多采用单一的强化传热技术，例如减小冷却剂流动通道直径尺寸或增大流动通道表面粗糙度等方法虽然可以增强传热效率，但提升效果都不是很明显。

技术实现思路

[0007]本专利技术基于高超声速前缘冷却技术，针对高超声速飞行器中气动热问题严峻的前缘区域，采用增加支流管道与弧形壁面凹陷组合强化传热方法，实现冷却剂分流并增大壁面表面粗糙度，在有限冷源情况下提高主动对流冷却技术冷却工质的传热能力。
[0008]本专利技术的技术方案：
[0009]一种基于支流管道与壁面凹陷组合强化传热方法的高超声速前缘冷却设计方法，通过增加支流管道实现冷却剂分流和增加弧形壁面凹陷增大管道壁面粗糙度两种强化传热方法，组合两种强化传热方法增强该主动对流冷却前缘结构模型的传热性能，在有限冷源的情况下进一步提升主动冷却方案的热防护效果。
[0010]作为基准的无强化传热方案的主动对流冷却前缘结构模型如图1，在结构中间布置对称冷却管道，其中，管道尺寸为d＝2mm，入口尺寸为2d＝4mm，环形管道外侧距离前缘结构外侧4.6mm，在分流处布置半径为d/2的倒角。结构材料1Crl8Ni9Ti不锈钢材料。
[0011]增加支流管道与壁面凹陷强化传热的主动对流冷却前缘结构模型如图2，其中冷却剂分流方案通过布置支流管道的方式，将主流直管管道中的氢气分流，在保证氢气的总流量和入口速度不变的前提下，使管道中的氢气在不同位置处与结构发生冲击射流换热，以强化不同位置处的结构传热性能。进一步地，从图2可以看出，分流管道与主流管道的夹角为
±
30
°
，主流管道直径尺寸d1与分流管道直径尺寸d2的总和与原主流管道入口直径尺寸2d保持大小一致，d1＝2mm,d2＝1mm。这样在氢气入口速度不变时，可以保证氢气的总质量流量不发生变化。其中增大管道壁面粗糙度方案通过在弧形的冷却管道壁面布置弧形凹陷实现，弧形凹陷的最大宽度L＝2mm，深宽比为0.2，排布间距为14
°
。通过支流管道和弧形凹陷组合的方式强化该主动对流冷却前缘结构模型的传热性能。
[0012]本专利技术的有益效果：本专利技术提出的基于支流管道与壁面凹陷组合强化传热方法的高超声速前缘冷却设计方法，将两种强化传热方法组合，一方面解决了单一使用增加支流管道方法造成的局部位置最高温度上升问题；另一方面，通过图4可以看出，与单独采用支流管道和壁面凹陷的强化传热方法相比，支流管道与壁面凹陷组合强化传热方法的壁面温度降低是最明显的，因此使用组合传热方法可以更大限度地提升在有限冷源情况下主动对流冷却技术冷却工质的传热能力。
附图说明
[0013]图1为无强化传热方案的主动对流冷却前缘结构模型。
[0014]图2为组合强化传热方案的主动对流冷却前缘结构模型。
[0015]图3为壁面凹陷形状示意图。
[0016]图4为不同强化传热方案结构表面温度分布云图。
[0017]图5为不同强化传热方案管道壁面温度变化曲线。
具体实施方式
[0018]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例为本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0019]基于高超声速前缘对流冷却技术，通过增加支流管道实现冷却剂分流和增加壁面凹陷增大管道壁面粗糙度两种强化传热方法，在有限冷源的情况下进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于支流管道与壁面凹陷组合强化传热方法的高超声速前缘冷却设计方法，其特征在于，通过增加支流管道实现冷却剂分流和增加弧形壁面凹陷增大管道壁面粗糙度两种强化传热方法，增强主动对流冷却前缘结构模型的传热性能，具体如下：冷却剂分流方案：通过布置支流管道的方式，将主流管道中的氢气分流，在保证氢气的总流量和入口速度不变的前提下，使管道中的氢气在不同位置处与结构发生冲击射流换热，以强化不同位置处的结构传热性能；增大管道壁面粗糙度方案：通过在弧形的冷却管道壁面布置弧形凹陷实现。2.根据权利要求1所述的基于支流管道与壁面凹陷组合强化传热方法的高超声速前缘冷却设计方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李佳伟，王战，沈煊，周勇健，李宪开，张安坤，
申请(专利权)人：沈阳飞机设计研究所扬州协同创新研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：