烧结多孔介质材料发汗冷却的研究

摘要

随着航空航天技术的飞速发展，近空间、长航时、高超声速飞行器的研究成为热点。高超声速飞行器的工作热环境极其恶劣，如推进系统内燃烧导致的超高温环境，在近空间飞行时飞行器前缘面临的极高气动热。因此，发汗冷却作为一种最有效的主动热防护技术成为航空航天领域的热门课题。
　　 在无冷却介质相变的发汗冷却中，以空气作为冷却介质，采用红外测温的方法，分别对不锈钢和金属-陶瓷烧结多孔平板试验件的发汗冷却特性开展实验研究。在不锈钢多孔平板在低温下发汗冷却实验中，通过对沿主流方向的下游温度的测量，分析了冷却介质边界层沿着主流方向的发展规律；在金属-陶瓷多孔平板的高温发汗冷却实验中，通过对平板热端面的温度测量，给出了沿主流方向温度的发展规律，并分析了主流工况、冷却流的注入率对于平板发汗冷却效率的影响规律。
　　 为研究非均质多孔介质的渗透特性，以烧结多孔介质为实验基体，分别以纯净的空气、水和乙醇作为流通介质，实验研究流体穿过多孔介质平板的驱动力与其运动特性之间的关系，分析非均质多孔介质在单相流状态下的渗透特性，并重点展示和研究了三种非达西现象，通过对经典渗透率公式拟合实验数据的偏差分析，提出完善达西公式的建议。
　　 液态冷却介质具有高相变潜热、存储空间小、输送代价低的特点，开展具有液体冷却工质相变的发汗冷却基础实验研究，根据主流参数的变化，通过调节冷却水的注射量将相变位置控制在烧结多孔介质结构内部，研究高温气流横掠烧结多孔介质平板结构时的发汗冷却特性。探讨了具有相变发汗冷却的力学特性，分析了受毛细力影响的驱动压力降不同于常温下的变化规律；在考量相变发汗冷却效果时，引入平板表面的冷却效率作为评价标准，分析了热流密度对冷却效率的影响规律。
　　 在相变发汗冷却基础问题实验研究的基础上，模拟真实工况，在主流马赫数2.19，总压0.14Mpa，热流密度1.4MW/m2电弧加热风洞中，以水为发汗冷却工质，开展烧结多孔介质平板的相变发汗冷却模拟实验研究，讨论发汗冷却过程出现传热恶化现象时，冷却水的温度、平板底温以及腔内压降的相互作用机理，并分析在极高热流密度条件下，冷却腔内压降在驱动力和相变毛细力共同作用下的变化规律。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1.1 课题的研究背景和意义

1.1.1 航空发动机和火箭发动机高温部件的热防护

1.1.2 近空间高超声速飞行器高温部件的热防护

1.1.3 现有的冷却方式

1.2 发汗冷却的研究现状

1.2.1 发汗冷却材料研究进展

1.2.2 冷却介质的研究

1.2.3 多孔介质内流动的研究

1.2.4 发汗冷却的实验研究

1.2.5 发汗冷却的模型研究

1.2.6 发汗冷却的理论研究

1.2.7 发汗冷却优化的研究

1.3 发汗冷却研究存在的问题

1.4 本文研究的主要内容

第2章 烧结多孔介质材料的制备

2.1 本章引论

2.2 多孔介质材料的烧结

2.2.1 粉末的制备

2.2.2 粉末的压制成形

2.2.3 粉末的烧结

2.2.4 烧结体的抗氧化性测定

2.3 多孔介质材料特性

2.3.1 孔隙率的检测

2.3.2 渗透率的检测

2.4 本章小结

第3章 烧结多孔材料的无相变发汗冷却实验研究

3.1 本章引论

3.2 实验系统概述

3.2.1 实验系统介绍

3.2.2 实验装置介绍

3.2.3 物理量的实验测量

3.3 实验数据的处理

3.4 实验系统误差分析

3.5 实验结果与分析

3.5.1 316L多孔介质平板的低温试验

3.5.2 Cr-Ni基多孔介质平板的高温试验

3.6本章小结

第4章 烧结多孔材料的渗透特性实验研究

4.1 本章引论

4.2 实验系统和实验件

4.2.1 实验件装置

4.2.2 实验系统概述

4.2.3 测量流体的选择

4.2.4 高压注射泵

4.3 动态接触角测量

4.4 实验系统误差分析

4.5 实验结果和分析

4.5.1 气体渗透特性中的非达西现象

4.5.2 液体渗透特性中的非达西现象

4.6 本章小结

第5章烧结多孔材料的相变发汗冷却实验研究

5.1 本章引论

5.2 实验系统概述

5.2.1 实验系统和实验段介绍

5.2.2 实验装置介绍

5.3 实验方法介绍

5.3.1 实验工况介绍

5.3.2 最小冷却流量的调节

5.3.3 物理量的实验测量

5.3.4 实验数据的处理

5.4 实验系统误差分析

5.5 实验结果及分析

5.5.1 最小冷却流量的影响

5.5.2 冷却腔压降的影响

5.5.3 冷却效率的影响

5.5.4 平板底温的影响

5.6 电弧加热风洞中的模拟实验

5.6.1 实验系统和实验装置

5.6.2 气流的状态参数

5.6.3 实验结果及分析

5.7 本章小结

第6章 全文总结和展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文和取得的其他研究成果