侯宜朋，侯　赤，萬(wàn)小朋，江紅星

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安　710072；2.四川航天技術(shù)研究院 總體設(shè)計(jì)部，成都　610100)

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對(duì)流式主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)影響參數(shù)分析

侯宜朋1，侯赤1，萬(wàn)小朋1，江紅星2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安710072；2.四川航天技術(shù)研究院 總體設(shè)計(jì)部，成都610100)

設(shè)計(jì)了雙蜂窩夾芯對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)方案，采用流固耦合傳熱數(shù)值算法對(duì)雙蜂窩夾芯簡(jiǎn)化模型進(jìn)行傳熱分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明雙蜂窩夾芯對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)有效阻隔了熱量向結(jié)構(gòu)內(nèi)層傳遞，具有良好的防熱性能，且數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果高度吻合，數(shù)值算法準(zhǔn)確有效。以熱流管為模型，通過(guò)控制變量的方法，研究不同影響參數(shù)對(duì)對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)防熱性能影響，得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)及冷卻工況條件下對(duì)流冷卻面板防熱性能的變化規(guī)律。

熱防護(hù)；主動(dòng)冷卻；流固耦合；影響參數(shù)

0　引言

20世紀(jì)50年代，美國(guó)人提出了主動(dòng)冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)概念，NASA與美國(guó)海軍都提出過(guò)不同的主動(dòng)冷卻方案。近些年，隨著新材料與新技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)微型化、輕量化革新[1]，主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)也逐漸在廣泛的領(lǐng)域得以應(yīng)用，如RLV(Reusable Launch Vehicle)表面熱防護(hù)系統(tǒng)、大口徑火炮身管冷卻系統(tǒng)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁板隔熱結(jié)構(gòu)等[2-4]。隨著高超聲速飛行器的發(fā)展，很多學(xué)者開(kāi)展了有關(guān)主動(dòng)冷卻方案的研究。Rakow J F等研究了金屬泡沫夾芯面板對(duì)流熱防護(hù)系統(tǒng)的熱屈曲問(wèn)題，使用該結(jié)構(gòu)能減小熱防護(hù)結(jié)構(gòu)外表面變形，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性[5]。彭麗娜研究了基于耐高溫材料的復(fù)合主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效果，設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置，論證了基于該耐高溫復(fù)合材料的主動(dòng)冷卻模式防熱效果更佳[6]。張建進(jìn)行了三維瞬態(tài)方形管流的熱流固耦合數(shù)值模擬，得到溫度場(chǎng)與應(yīng)力分布規(guī)律[7]。李相旺給出了主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)熱力響應(yīng)近似分析方法，使用該方法計(jì)算了熱載環(huán)境下結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)[8]。目前大部分研究偏向于主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)計(jì)算方法，而有關(guān)對(duì)流式主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)冷卻性能影響因素的研究還比較少。因此，有必要對(duì)影響對(duì)流式主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)冷卻性能的參數(shù)進(jìn)行深入研究，了解性能參數(shù)對(duì)冷卻效能的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

本文提出了基于RLV的雙蜂窩夾芯主動(dòng)冷卻熱防護(hù)方案，對(duì)該方案進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)?zāi)M，主要分析影響對(duì)流式主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)傳熱性能的參數(shù)。

1　對(duì)流換熱結(jié)構(gòu)傳熱機(jī)理

雙蜂窩夾芯式主動(dòng)冷卻熱防護(hù)方案涉及金屬蜂窩和對(duì)流式主動(dòng)冷卻面板兩部分的能量傳遞過(guò)程。金屬蜂窩的導(dǎo)熱是以熱輻射為主，熱傳導(dǎo)為輔的混合式傳熱過(guò)程，關(guān)于金屬蜂窩的熱響應(yīng)已有比較完善的研究結(jié)果，此處不再贅述。對(duì)流冷卻面板在高溫環(huán)境下通過(guò)冷卻通道內(nèi)的冷卻工質(zhì)帶走熱量的方式，將結(jié)構(gòu)體溫度控制在安全工作溫度內(nèi)。該過(guò)程包括面板結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)、流體和固體界面的傳熱和管道內(nèi)流體的流動(dòng)與傳熱，是一個(gè)典型的流固耦合傳熱問(wèn)題。

1.1固體傳熱分析

對(duì)流面板內(nèi)部固體區(qū)域的導(dǎo)熱過(guò)程是固體熱傳導(dǎo)的過(guò)程。這一過(guò)程遵循傅里葉定律。不考慮內(nèi)熱源影響，三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程的形式為

(1)

式中ρ為密度；c為比熱容；Ts為固體溫度場(chǎng)函數(shù)；t為時(shí)間。

通過(guò)對(duì)三維導(dǎo)熱方程的求解可得到對(duì)流冷卻面板固體域的溫度分布。

1.2流固耦合換熱分析

對(duì)于通道內(nèi)的流體，當(dāng)溫度較低的流體在外部力的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入對(duì)流換熱管道時(shí)，可視作高溫壁面對(duì)流體加熱的過(guò)程，這是個(gè)伴隨著能量交換的流動(dòng)過(guò)程，該過(guò)程可用流場(chǎng)的基本控制方程——N-S方程概括。N-S方程自封閉，求解可得流場(chǎng)的溫度分布與速度分布。

流固耦合傳熱問(wèn)題是指在壁面處，固體熱傳導(dǎo)與流體熱對(duì)流兩種熱交換模式的耦合。流體附面層中臨近壁面的流體分子被吸附而處于靜止?fàn)顟B(tài)，附面層中出現(xiàn)大速度梯度區(qū)，最終趨同于來(lái)流的速度值。在附面層內(nèi)，固體壁面?zhèn)葌鬟f的熱流在附面層低速區(qū)內(nèi)通過(guò)熱傳導(dǎo)擴(kuò)散，并不斷被流體的流動(dòng)而帶到下游，以熱對(duì)流的形式完成能量傳遞?？梢哉f(shuō)，固液兩相間能量的耦合傳遞，主要是在近壁面流體附面層內(nèi)實(shí)現(xiàn)，故對(duì)附面層區(qū)域的計(jì)算將直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。壁面處的換熱問(wèn)題受流體域與固體域2個(gè)計(jì)算域的結(jié)果影響，因此需要將2個(gè)場(chǎng)聯(lián)合求解。壁面處的連續(xù)條件：

(2)

2　熱防護(hù)系統(tǒng)方案及數(shù)值算法驗(yàn)證

本文研究以RLV為背景的主動(dòng)冷卻方案，提出了適用于RLV的金屬——主動(dòng)冷卻混合熱防護(hù)方案，設(shè)計(jì)了雙蜂窩夾芯對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)，即上下2層為帶蒙皮的金屬蜂窩面板，夾層為含通道的對(duì)流冷卻面板，如圖1所示。

金屬蜂窩結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕，熱阻大的優(yōu)點(diǎn)，用以抵御RLV的外層熱沖擊，熱載荷從上層蜂窩直接輸入。結(jié)構(gòu)的上下金屬蜂窩面板尺寸相同，蜂窩單胞尺寸邊長(zhǎng)5 mm，壁厚0.04 mm，蜂窩高度為20 mm，蜂窩面板蒙皮厚度為1 mm，單個(gè)蜂窩板中蜂窩胞元為566個(gè)。

對(duì)流冷卻面板以銑削工藝在金屬基板上加工出6組S型對(duì)流通道，熱量通過(guò)上蜂窩面板傳遞給中間的對(duì)流冷卻面板，經(jīng)過(guò)兩相間能量交換后，可使內(nèi)部結(jié)構(gòu)的工作溫度保持在一個(gè)安全的范圍內(nèi)。試驗(yàn)件選用2024鋁合金進(jìn)行加工，使用膠接工藝將各層結(jié)構(gòu)粘連成型，具體尺寸如表1所示。

圖1　雙蜂窩夾芯對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

整體尺寸221×174×52金屬蜂窩面板厚度21對(duì)流冷卻面板厚度10通道截面尺寸3×3相鄰?fù)ǖ乐休S線間距9通道轉(zhuǎn)折處距邊線距離6

2.1數(shù)值計(jì)算

通常，通過(guò)式(2)聯(lián)立流固2個(gè)計(jì)算域，迭代求解可分別求得流體與固體溫度場(chǎng)。這涉及不同的2個(gè)求解器，需要先使用ABAQUS或ANSYS計(jì)算固體溫度分布，再使用CFX計(jì)算流體域，每個(gè)物理場(chǎng)間獨(dú)立求解，反復(fù)迭代，直至在耦合界面上結(jié)果收斂為止。本文使用在同一求解器中計(jì)算流固耦合傳熱問(wèn)題的MFS(Multi-Field Solver-Single code coupling)數(shù)值方法[9]，使用流體計(jì)算軟件CFX對(duì)流固耦合傳熱進(jìn)行模擬。CFX中流體域的熱傳導(dǎo)通過(guò)能量輸運(yùn)方程來(lái)控制：

(3)

CFX中固體域的熱傳導(dǎo)使用對(duì)流方程來(lái)進(jìn)行模擬：

(4)

由于涉及到含附面層的流場(chǎng)計(jì)算，工作量非常之大，需對(duì)試驗(yàn)件模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。對(duì)試驗(yàn)件模型選取1/6建模，上下金屬蜂窩面板引入等效熱導(dǎo)率概念，視作各向同性材料，通過(guò)對(duì)金屬蜂窩單胞熱響應(yīng)的數(shù)值模擬，在溫度載荷500K以下的低溫段，金屬蜂窩的等效熱導(dǎo)率隨溫度變化影響不大，取等效熱導(dǎo)率k=0.29W/(m·K)。流體計(jì)算域的網(wǎng)格質(zhì)量非常重要，將直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對(duì)附面層處網(wǎng)格細(xì)化，簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2　簡(jiǎn)化模型示意圖

加載邊界條件：

(1)上壁面：溫度邊界條件，在 298～423K溫度段內(nèi)選擇離散點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)加載；

(2)下壁面：對(duì)流邊界條件，室內(nèi)空氣自然對(duì)流為6W/(m2·K)；

(3)左右壁面：對(duì)稱邊界條件；

(4)管道入口：入口邊界條件，流速0.2m/s，靜溫Tf=293K；

(5)管道出口：出口邊界條件，參考?jí)毫x擇平均靜壓為0Pa；

(6)交界面：界面連續(xù)條件，能量交換為保守?zé)崃髅芏取?/p>

對(duì)簡(jiǎn)化計(jì)算模型施加上述邊界條件及加載條件，采用MFS數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算，由結(jié)構(gòu)到達(dá)穩(wěn)態(tài)后的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)流式主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)具有很好的防熱性能，對(duì)流冷卻面板有效阻隔了熱量向結(jié)構(gòu)內(nèi)層傳遞，在管道處進(jìn)行了強(qiáng)烈的能量交換，由冷卻工質(zhì)帶走了外表面?zhèn)鬟f的大量熱量。通過(guò)對(duì)流冷卻面板后結(jié)構(gòu)溫度趨于穩(wěn)定，保證了內(nèi)部材料的有效力學(xué)性能。

2.2實(shí)驗(yàn)方案與驗(yàn)證

本文采用穩(wěn)態(tài)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法和相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)進(jìn)行雙蜂窩夾芯對(duì)流冷卻熱防護(hù)系統(tǒng)防熱性能的研究。實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施方法如圖3(a)所示。

(a)實(shí)驗(yàn)方案

(b)部分實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中使用恒溫加熱臺(tái)模擬溫度載荷邊界條件，加熱端最高溫度載荷150 ℃。使用熱導(dǎo)率為0.09W/(m·K)的耐高溫陶瓷纖維毯作為隔熱材料，模擬數(shù)值計(jì)算中的絕熱邊界。使用循環(huán)水作為對(duì)流冷卻面板的冷卻工質(zhì)，由6個(gè)32W微型潛水泵驅(qū)動(dòng)，使用熱電偶溫度采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)分別提取對(duì)實(shí)驗(yàn)件加載至48、71、96、125、147 ℃并達(dá)到穩(wěn)態(tài)后下蜂窩面板輸出溫度平均值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析比對(duì)?？紤]到實(shí)驗(yàn)件尺寸效應(yīng)影響，由熱電偶7、8、9所測(cè)量溫度平均值表征下蜂窩面板輸出溫度。如圖4所示，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，證明數(shù)值計(jì)算實(shí)施方法的選用正確，后文的數(shù)值分析可建立在此MFS方法上進(jìn)行。

需指出，極端高溫氣動(dòng)加熱條件難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，本文實(shí)驗(yàn)所模擬的熱載荷環(huán)境并非RLV表面熱防護(hù)系統(tǒng)真實(shí)載荷環(huán)境，旨在論證熱防護(hù)系統(tǒng)方案的可行性與數(shù)值算法的正確性。

圖4　下蜂窩面板輸出溫度實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

3　對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)影響參數(shù)分析

在確定MFS數(shù)值方法計(jì)算的正確性后，針對(duì)以鈦合金為材料的RLV對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，主要研究對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)傳熱性能的影響參數(shù)。計(jì)算模型不再考慮金屬蜂窩面板及對(duì)流冷卻通道的形狀等因素，截取單一熱流管模型進(jìn)行分析。材料熱物性參數(shù)及熱流管初始模型幾何尺寸如表2所示。采用控制變量法，在相同載荷環(huán)境條件下，逐次改變結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)或冷卻工況，通過(guò)數(shù)值模擬，求解熱流管結(jié)構(gòu)下表面溫度及輸出熱流密度，研究不同參變量之間的關(guān)系及對(duì)結(jié)構(gòu)冷卻性能的影響。

表2　熱流管材料屬性與結(jié)構(gòu)參數(shù)

為模擬對(duì)流換熱面板在外部氣動(dòng)熱載荷下的承載情況，將上壁面設(shè)定為熱流邊界條件，下壁面為對(duì)流換熱條件，管道內(nèi)選取水作為冷卻工質(zhì)，與管道壁面進(jìn)行熱量的交換。

加載邊界條件：

(1)上壁面：熱流密度邊界條件，當(dāng)結(jié)構(gòu)外表面加熱達(dá)到1 800 ℃時(shí)[10-11]，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到金屬蜂窩單胞向下輸出熱流密度q=500 kW/m2；

(2) 下壁面：對(duì)流邊界條件，查閱相關(guān)資料，航天器結(jié)構(gòu)內(nèi)空氣對(duì)流換熱系數(shù)h=0.889 1 W/(m2·K)；

(3) 左右壁面：對(duì)稱邊界條件；

(4) 管道入口：入口邊界條件，流速5 m/s，靜溫Tf=293 K

其余邊界條件與2.1節(jié)中一致。

3.1結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱流管冷卻性能的影響

考慮熱流管結(jié)構(gòu)參數(shù)如：通道形狀、通道面積，通過(guò)控制單一變量，觀察下表面熱流密度與平均溫度的變化規(guī)律，見(jiàn)表3。

保持通道面積為9 mm2而其余工況不變時(shí)，分別選用方形與圓形兩種通道形狀，由表3可看出方形通道較圓形通道可獲得更低的下表面熱流密度及平均溫度，這是由于等截面積下方形管道較圓形管道有更大的內(nèi)壁面積，有利于熱量在固體與液體之間的交換。

對(duì)于方形通道，在其余工況條件不變條件下，增大通道截面積，由表3可看出，隨通道面積的逐漸增大，下表面輸出熱流密度及平均溫度逐漸降低。這實(shí)際上是由于在冷卻劑流速不變的前提下通道截面積的增大導(dǎo)致了冷卻劑通量的增大，冷卻工況發(fā)生了變化。冷卻劑通量的增大會(huì)提高對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻性能。

表3　通道形狀及面積對(duì)熱流管傳熱性能的影響

3.2冷卻工況對(duì)熱流管傳熱性能的影響

考慮冷卻工質(zhì)的不同工況對(duì)熱流管冷卻性能的影響，分別討論冷卻劑等通量與不等通量影響下，下表面熱流密度與平均溫度的變化規(guī)律。

保持冷卻劑單位時(shí)間的通量Q=A·V不變，改變冷卻通道截面積與流速的雙變量組合情況，觀察結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)變化，結(jié)果如表4所示。在冷卻劑通量相等的情況下，冷卻劑流速越慢(也即冷卻通道截面積越大)對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)冷卻性能越好。這是由于冷卻劑與固壁面的熱量交換需要一定的時(shí)間，適當(dāng)?shù)慕档土魉倏筛玫匕l(fā)揮冷卻劑的冷卻效能，但當(dāng)流速降低到一個(gè)程度后，由于冷卻劑冷卻效能趨于飽和，故對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)冷卻性能也將達(dá)到一個(gè)定值。

以控制冷卻劑流速的方式來(lái)改變冷卻劑的通量，如表5所示，當(dāng)通道截面積一定時(shí)，逐漸增大冷卻劑流速，隨其通量增大，熱流管的輸出熱流密度及平均溫度均呈下降趨勢(shì)，因此通量的增大可增強(qiáng)提高對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻性能，這與3.1節(jié)中通道面積對(duì)熱流管傳熱性能的影響結(jié)論一致。

表4　等通量時(shí)組合參數(shù)對(duì)熱流管傳熱性能的影響

表5　冷卻劑通量對(duì)熱流管傳熱性能的影響

4　結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了金屬蜂窩——對(duì)流冷卻面板混合式熱防護(hù)系統(tǒng)，分別分析了兩部分結(jié)構(gòu)的傳熱機(jī)理。開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熱防護(hù)系統(tǒng)的有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與MFS算法數(shù)值分析結(jié)果高度吻合，表明數(shù)值分析方法準(zhǔn)確有效；雙蜂窩夾芯式主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的冷卻能力，滿足RLV對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)能力的需求。

(2)對(duì)對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)影響參數(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，討論了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同工況對(duì)熱流管冷卻性能的影響。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)使對(duì)流管道獲得更大的熱交換面積；改變工況，增大冷卻劑的通量均可以提高對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)能力。這一結(jié)論可為對(duì)流式主動(dòng)冷卻熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，也為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

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(編輯：呂耀輝)

Analysis of influence parameters to convection active cooling structure

HOU Yi-peng1,HOU Chi1,WAN Xiao-peng1,JIANG Hong-xing2

(1.College of Astronautics,Northwestern Polytechnical University, Xi'an710072, China；2.Sichuan Academy of Aerospace Technology, Chengdu610100, China)

A structure of honeycomb sandwich panel with convection cooling and the relative experimental scheme were designed to prove that the active cooling structure is effective for resisting the thermal passing into the inner structure. The test results show that the numerical method of thermo-fluid-solid coupling in solving the problem of thermal response is correct. Modeled on heat pipe, through the method of controlling variables,influence of different parameters on heat transfer performance of convection cooling structure was studied, change law of heat transfer performance of convection cooling panel in different structure parameters and cooling conditions was obtained.

thermal protection；active cooling；fluid-solid coupling；influence parameters

2014-12-23；

2015-01-27。

侯宜朋(1991—)，男，碩士生，研究方向?yàn)轱w行器熱結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 。E-mail:yipho007486@sina.com

V438

A

1006-2793(2016)01-0090-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.01.016