發(fā)散冷卻基礎問題的理論研究.pdf

1、隨著空天技術的不斷發(fā)展，更加高效的強化冷卻技術已經(jīng)成為工程熱物理學科及航天航空研究領域里的熱門課題。因為，要改進空天飛行器或者戰(zhàn)斗機的性能，要提高燃氣輪機的工作效率或者戰(zhàn)略彈道導彈的飛行速度，通常面臨著如何提高結(jié)構抗高溫能力的問題。雖然以多孔介質(zhì)為載體的發(fā)散冷卻，因其高效率的冷卻方式，受到越來越多的關注與研究，然而它在實驗方法和基礎理論方面值得研究的問題還有很多。其中，一些是傳統(tǒng)的多孔介質(zhì)內(nèi)傳熱傳質(zhì)問題需要深入研究，例如：數(shù)學模型和邊界

2、條件的確定；液體冷卻介質(zhì)在微孔中的流動、吸熱、相變問題。此外，過去對應發(fā)散冷卻特性的研究大多局限于分析單個參數(shù)對冷卻效率的影響，而沒有根據(jù)實際應用綜合起來分析。隨著人們對發(fā)散冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計要求的提高，如何用最少的冷卻介質(zhì)達到最高的冷卻效率？如何用最佳的多孔材料組合滿足結(jié)構更高的熱防護需求？諸如此類問題是發(fā)達國家面臨的基礎科學問題，也給我們的科學研究帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。 本文以理論分析為基礎、數(shù)值模擬為工具，針對發(fā)散冷卻基礎理

3、論問題開展一些探索性研究。 局部熱非平衡發(fā)散冷卻模型的邊界條件：首先將多孔介質(zhì)熱邊界條件分為固體-固體、固體-流體兩類；其中固體-流體又可以分為多孔介質(zhì)內(nèi)部流場與外部流場方向平行和垂直兩類。發(fā)散冷卻過程熱端邊界條件就屬于固體-流體-垂直這類，此類邊界條件在學術界一直有很多爭議。本文通過一維、穩(wěn)態(tài)、熱非平衡模型的解析解，比較五種不同的邊界條件下的計算結(jié)果。這五種邊界條件來自于不同的研究文獻，既有針對固體-流體-平行的，也有針對固體

4、-流體-垂直的。在給定的參數(shù)下，本文從冷卻物理意義出發(fā)，給出了兩個判斷邊界條件是否合理的標準：1)熱端表面流體溫度與固體溫度的變化趨勢是否合理；2)冷卻效率與冷卻介質(zhì)注入量的關系是否合理。通過分析，確定了在這五種邊界條件中，哪一些是完全不合理的，哪一些是無條件適用的，哪一些需要在一定條件下才可以用。這一研究澄清了長久以來學術界在對發(fā)散冷卻過程進行數(shù)值模擬時，關于熱非平衡邊界條件的爭議，對于我們的研究工作也有很好的借鑒作用。 發(fā)散

5、冷卻過程中冷卻介質(zhì)與外部流場的耦合作用：過去，對于發(fā)散冷卻的研究往往側(cè)重于多孔骨架內(nèi)部流場與表面溫度，而忽略了發(fā)散冷卻過程中，冷卻介質(zhì)進入熱端邊界層對外部流場同樣有著非常重要的影響。本文研究了伴有發(fā)散冷卻的二維多孔平板層流邊界層流動及換熱特性，用穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬方法，耦合分析了外部熱流與內(nèi)部冷卻流相互作用下的傳熱傳質(zhì)特性，并分析了幾個重要的無量綱參數(shù)(Re，Pr，V)對多孔介質(zhì)平板熱表面溫度分布的影響。 液體發(fā)汗冷卻過程中的相變現(xiàn)

6、象研究：由于氣態(tài)冷卻介質(zhì)吸熱能力的局限及人們對更高冷卻效率的追求，液體冷卻介質(zhì)具有很高的使用價值和廣闊的應用背景，因為液體冷卻介質(zhì)具有高相變潛熱、小儲存空間、輸送能耗低等特點。本文采用了局部熱非平衡與混合模型相結(jié)合的方法LTNE-TPMM(Local Thermal non-Equilibrium--Two Phase Mixture Model)，描述了液體冷卻介質(zhì)相變發(fā)生的物理過程，并成功地進行了一維、穩(wěn)態(tài)、液體相變冷卻現(xiàn)象的數(shù)值模

7、擬。同時，通過對模型中各參數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)了一個十分有趣的現(xiàn)象：在多孔骨架內(nèi)部，在液相轉(zhuǎn)向兩相混合物時，冷卻介質(zhì)的溫度可能高于固體溫度。這與以氣體為冷卻介質(zhì)的發(fā)散冷卻的結(jié)論是不同的。盡管這一結(jié)論仍需要實驗來進一步的論證，但無疑對今后進一步實驗研究散冷卻特性提出了一個有趣的課題。 發(fā)散冷卻系統(tǒng)設計中冷卻介質(zhì)注射量控制及雙層材料結(jié)構的優(yōu)化問題：本文就發(fā)散冷卻系統(tǒng)優(yōu)化問題做了一些探索性研究，主要包括兩個部分。1)用一維、可壓縮、非穩(wěn)態(tài)、

8、局部熱非平衡模型，數(shù)值研究了瞬態(tài)冷卻過程及最小冷卻介質(zhì)注射量的依賴參數(shù)。這樣做的目的是：在確保推進器不被燒蝕的前提下，充分發(fā)揮材料本身的抗高溫能力，以最小的冷卻介質(zhì)注射量作為發(fā)散冷卻系統(tǒng)的設計目標。結(jié)果表明：瞬態(tài)冷卻過程研究十分重要，因為盡管當冷卻過程達到穩(wěn)態(tài)以后熱端溫度在燒蝕點以下，但在進入穩(wěn)態(tài)之前可能已經(jīng)發(fā)生燒蝕。2)采用雙層多孔介質(zhì)發(fā)散冷卻結(jié)構，以遺傳算法為優(yōu)化工具，以熱端表面最低溫度為優(yōu)化目標，優(yōu)化雙層多孔介質(zhì)結(jié)構參數(shù)為參數(shù)，分

9、別用冷卻介質(zhì)流量(或壓力損失)、結(jié)構總重量和成本為約束條件，找出可行的最優(yōu)雙層發(fā)散冷卻結(jié)構設計參數(shù)。結(jié)果驗證了這種結(jié)構設計優(yōu)化的可行性以及遺傳算法作為優(yōu)化算法的有效性，這些研究對于工程應用有很好的指導作用。 發(fā)散冷卻中的逆問題：從多孔介質(zhì)內(nèi)部溫度可測量的角度出發(fā)，采用熱非平衡模型及共軛梯度求解方法，成功地推算出發(fā)散冷卻過程中熱端承受的熱流密度，并獲得了非常好的計算結(jié)果。由于發(fā)散冷卻過程特殊性，其逆問題也與傳統(tǒng)換熱過程的逆問題有不