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高速飞行器翼面气动热疏导的层板式热管机理研究

刘洪鹏  
【摘要】:飞行器在高超声速飞行时,翼面部分将面临着严重的气动热环境,需要采用热防护措施使其安全工作。疏导式热管防护方法,利用液体工质在气动热严重的翼面头部区域蒸发相变吸热,然后在管内蒸汽压差的作用下将热量输送到后部区域冷凝放热,并将热量通过导热的方式传输到翼面辐射到大气环境中,冷凝后的液体在管内吸液芯所提供的毛细力作用下回流至头部区域而构成工质流动和热量迁移的循环,从而使得头部吸收的气动热不断地疏导至后部大面积区域,降低了头部的最高温度和热应力,完成热防护的任务。相对于传统的烧蚀热防护,疏导式热管防护方法不改变翼面的气动外形,可达到重复性使用目的,针对高速飞行翼面的疏导式层板热管防护系统的研究具有理论和工程的现实意义。对高速飞行翼面的气动热分布进行数值和工程计算方法的对比分析,以获得更为准确的气动热计算方法。首先,建立高速飞行翼面的气动热数值计算模型,通过与公开文献中圆管实验结果进行对比,证实数值计算方法的可靠性,但由于数值方法中通常采用冷壁温度作为计算条件,其对气动热的计算结果偏高。为了解决该问题,在热平衡原理上,建立了高速飞行翼面气动热的工程计算模型,并且模型中将翼面表面进行均温化处理而不是简单采用冷壁温度作为计算条件,提高了气动热计算的准确性,为翼面疏导式层板热管的工作机理分析提供了较为可靠的先提条件。使用FLUENT数值计算商用软件,通过UDF的程序编写,对翼面疏导式层板热管内工质的流动和相变换热展开耦合计算,以深入理解其热疏导机理和热疏导效果。基于工质的蒸发、对流和冷凝原理,对热管内气液交界面上的相变进行了温度、压力和流动的数值方法的耦合计算,通过与典型高温金属热管的实验结果进行对比,验证了计算方法较好的准确性。采用该热管流动与换热的数值计算方法,得到了翼面疏导式热管的温度场、压力场和流场分布数据,并通过与无热管防护时的结构对比,证实了疏导式热管防护方法实现了热量由头部高温区域向尾部低温区域的转移,从而降低了头部高热流区的温度,实现了对头部高温区的热防护。根据高速翼面的受热情况、材料和工质特性,对高速翼面疏导式层板热管不同结构特性下的传热极限进行了分析。采用数值计算和工程算法两种方式,对翼面疏导式层板热管的热结构特性进行对比分析,给出热管选材和结构参数设计依据;并基于烧毁算例,提出具备防失效机制的双级层板热管防护结构。翼面头部区域不仅要承受气动热环境所带来的高温,还要承受较大的温度梯度所带来的热应力和高温下腔内蒸汽压所带来的机械压力。首先对地面条件下未工作时的翼面热管的受力特性进行了数值计算;之后采用蒸汽腔等效导热系数法,对不同管壁材料和相变工质组合下的7个热管组结构的翼面算例进行了温度场和应力场的数值分析,通过对层板热管和楔形热管的受力特性进行对比,验证了层板热管更好的热结构特性。给出了翼面层板热管热结构特性的工程计算方法,通过和不同热管结构下的数值计算结果对比,表明了可用工程计算方法对其热结构特性进行快速估算。针对热管组中的单热管失效和单热管外壁面烧毁情况下的热结构特性进行了分析,讨论了这两种情况下不同材料的热管的结构特性和工作范围。基于烧毁分析,提出了翼面双级层板热管,通过计算验证其良好的防失效的热保护性能。使用FLUENT数值计算商用软件,通过UDF的程序编写,对矩形槽道和烧结球两种吸液芯结构的毛细特性展开对比研究,为热管毛细结构的选择和设计提供理论支撑。首先,对矩形槽道吸液芯和烧结球吸液芯的液面形状和毛细力进行了数值计算,并通过与公开文献中烧结球毛细特性实验的液面形状进行了对比,证实了计算方法的准确性,基于计算模型讨论了不同吸液芯几何参数设计和充液率等对吸液芯毛细力的影响。通过理论分析,计算了槽道和烧结球两种吸液芯的吸液速度,并讨论了几何结构参数对其吸液速度的影响。为分析吸液芯的液面蒸发特性,建立了吸液芯微结构的液面蒸发换热模型,通过和公开文献中的矩形槽道结构中的液面上低温蒸发换热的理论计算结果对比,证明了计算模型较好的准确性。通过对不同过热度、蒸汽饱和温度、固液接触角、充液率、材料、工质和几何设计参数下气液交界面上蒸发换热的计算,分析讨论了矩形槽道和烧结球吸液芯的蒸发换热特性,并得到相同孔隙率和充液率下,高温液态金属热管中矩形槽道吸液芯的液面蒸发换热特性优于烧结球吸液芯的结论。搭建层板热管实验平台,对层板式平板热管和前缘热管两种结构进行多工况对比实验研究,以验证等效导热系数法计算的准确性和其热疏导效果。层板式平板热管采用局部均匀热源加热,稳态工况下呈现良好的均温性,实验和计算结果吻合较好,证明了等效导热系数法具备计算准确性,可用于热管工作特性的预测。前缘热管构件实验采用卤素石英灯辐射加热,实验中观察到了明显的温度拐点,表明热管启动过程的完成;前缘热管的热疏导效果明显,头部温度得到较大幅度的降低,尾部温度得到了较大幅度的提升,热管整体体现了较好的均温性;当对其冷凝段附加冲击对流冷却时,前缘构件的蒸发段和冷凝段均有了更大幅度的温度降低。


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