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構抗高溫能力的問題。雖然以多孔介質為載體的發(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)的多孔介質內傳熱傳質問題需要深入研究，例如：數學模型和邊界

2、條件的確定；液體冷卻介質在微孔中的流動、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對冷卻效率的影響，而沒有根據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達到最高的冷卻效率？如何用最佳的多孔材料組合滿足結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內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重于多孔骨架內部流場與表面溫度，而忽略了發(fā)散冷卻過程中，冷卻介質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)的數值模擬方法，耦合分析了外部熱流與內部冷卻流相互作用下的傳熱傳質特性，并分析了幾個重要的無量綱參數(Re，Pr，V)對多孔介質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

6、象研究：由于氣態(tài)冷卻介質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合的方法LTNE-TPMM(Local Thermal non-Equilibrium--Two Phase Mixture Model)，描述了液體冷卻介質相變發(fā)生的物理過程，并成功地進行了一維、穩(wěn)態(tài)、液體相變冷卻現象的數值模

7、擬。同時，通過對模型中各參數的分析，發(fā)現了一個十分有趣的現象：在多孔骨架內部，在液相轉向兩相混合物時，冷卻介質的溫度可能高于固體溫度。這與以氣體為冷卻介質的發(fā)散冷卻的結論是不同的。盡管這一結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)設計中冷卻介質注射量控制及雙層材料結構的優(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，數值研究了瞬態(tài)冷卻過程及最小冷卻介質注射量的依賴參數。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，以最小的冷卻介質注射量作為發(fā)散冷卻系統(tǒng)的設計目標。結果表明：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)之前可能已經發(fā)生燒蝕。2)采用雙層多孔介質發(fā)散冷卻結構，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)化雙層多孔介質結構參數為參數，分

9、別用冷卻介質流量(或壓力損失)、結構總重量和成本為約束條件，找出可行的最優(yōu)雙層發(fā)散冷卻結構設計參數。結果驗證了這種結構設計優(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：從多孔介質內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