景婷婷, 何國(guó)強(qiáng), 侯志遠(yuǎn), 李文強(qiáng), 秦飛, 張鐸

(西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710072)

火箭沖壓組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(RBCC,rocket based combined cycle)在同一流道中有機(jī)集成了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)2種動(dòng)力形式，有機(jī)結(jié)合了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的高推重比和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)高比沖的優(yōu)勢(shì)，兼具加速、機(jī)動(dòng)與巡航能力，具備寬速域和大空域工作能力，是水平起降可重復(fù)使用航天運(yùn)載器和臨近空間高速高機(jī)動(dòng)飛行器的理想動(dòng)力[1-2]，受到了美國(guó)[3]、中國(guó)[4]、日本[5]等航天強(qiáng)國(guó)的日益重視。作為運(yùn)載器動(dòng)力的RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室尺寸較大，并且當(dāng)工作在超燃模態(tài)時(shí)，燃燒室內(nèi)為超聲速燃燒，來(lái)流在燃燒室中的滯留時(shí)間短，燃料的燃燒和火焰穩(wěn)定困難，且在超聲速流中，壁面燃料噴注的穿透深度有限，即使增加噴注壓力也難以實(shí)現(xiàn)大尺寸燃燒室的燃料噴注穿透，因此僅使用壁面噴注難以滿足大尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)高效燃燒的噴注需求。因此，在這種大尺寸燃燒室工作條件下，采用支板噴注的方式是必然的選擇之一，燃料支板雖然是發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)小部件，但卻是實(shí)現(xiàn)寬域高效燃燒的關(guān)鍵部件[6]。另一方面，RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)在引射、亞燃和超燃模態(tài)等多個(gè)模態(tài)工作。引射模態(tài)時(shí)，引射火箭射流總溫達(dá)到3 200 K以上，射流會(huì)沖刷到燃料支板；超燃模態(tài)時(shí)，燃燒總溫在2 800 K左右，而且由于加速飛行時(shí)，需要打開火箭增加推力，因此在某些工況下，燃?xì)饪倻厝詴?huì)達(dá)到3 000 K以上，因此RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料支板面臨的熱環(huán)境比雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)更加嚴(yán)酷和復(fù)雜，其熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為發(fā)動(dòng)機(jī)可重復(fù)使用要求所面臨的瓶頸問(wèn)題之一[7]。支板表面所承受的熱載荷較高，尤其是支板前緣，極限熱流密度可達(dá)幾十兆瓦/平方米[8]，極易發(fā)生燒毀現(xiàn)象，同時(shí)，當(dāng)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，燃料支板根部與燃燒室壁面連接處的局部熱應(yīng)力極大。

目前，常見(jiàn)的高溫合金材料的許用溫度上限為1 250 K[9]，而高溫陶瓷基復(fù)合材料(如C/SiC)，雖然可以在1 923 K條件下長(zhǎng)時(shí)間工作，但仍無(wú)法滿足RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)燃料支板長(zhǎng)時(shí)間可重復(fù)使用的要求，因此必須對(duì)支板進(jìn)行有效的主動(dòng)熱防護(hù)設(shè)計(jì)。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了關(guān)于復(fù)合材料再生冷卻、液膜冷卻和發(fā)汗冷卻等方面的大量研究，但目前，上述技術(shù)仍處于機(jī)理研究階段，很難在短期內(nèi)用于大規(guī)模的工程設(shè)計(jì)[10-11]，因此本文采用了較為成熟的再生冷卻技術(shù)途徑來(lái)突破燃料支板熱防護(hù)的瓶頸問(wèn)題。再生冷卻通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料或氧化劑在冷卻通道中的對(duì)流換熱降低內(nèi)壁面溫度，升溫之后的冷卻劑再噴入燃燒室參與燃燒，在降低壁面熱負(fù)荷的同時(shí)回收利用了冷卻劑帶走的熱量，提高了能量綜合利用率，廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和組合發(fā)動(dòng)機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)。

本文以典型寬域多模態(tài)RBCC模型發(fā)動(dòng)機(jī)為應(yīng)用背景，采用經(jīng)過(guò)校驗(yàn)的高精度數(shù)值仿真方法，開展基于高溫合金材料的再生冷卻支板傳熱特性的三維數(shù)值模擬研究，分析了前緣半徑、壁厚、流量分配方式對(duì)支板冷卻效果的影響規(guī)律，提出了燃料支板主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的初步優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的選取依據(jù)。

1 物理模型及數(shù)值方法

1.1 物理模型

本文的研究對(duì)象為寬域工作的典型RBCC模型發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料支板，外部幾何參數(shù)如圖1a)所示。

圖1 物理模型

在對(duì)支板進(jìn)行主動(dòng)冷卻方案設(shè)計(jì)時(shí)，其中的一個(gè)重要前提是準(zhǔn)確模擬支板所處的熱環(huán)境，而由于支板本身尺寸相比于發(fā)動(dòng)機(jī)很小，進(jìn)行全流道熱-流-固耦合傳熱計(jì)算需要很大的計(jì)算資源，對(duì)于尺寸較小的支板主動(dòng)熱防護(hù)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)沒(méi)有必要，為減小計(jì)算難度和縮短計(jì)算周期，需對(duì)計(jì)算流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。本文將支板外部的高溫燃?xì)鈪^(qū)域簡(jiǎn)化為100 mm×120 mm×300 mm的矩形區(qū)域，如圖1b)所示。支板內(nèi)部的冷卻通道布局方式如圖2所示，由于RBCC燃料支板會(huì)出現(xiàn)高熱負(fù)荷與無(wú)燃料噴注同時(shí)存在的情況(如超燃模態(tài)下位于流道后端的燃料支板)，因此，其主動(dòng)冷卻通道需要與噴油腔相互隔離，為了簡(jiǎn)化燃料支板的流固耦合模型，本文忽略了支板內(nèi)部的燃料噴注腔。

圖2 主動(dòng)冷卻支板的結(jié)構(gòu)示意圖

本文研究的主動(dòng)冷卻燃料支板構(gòu)型是在前期研究獲得的基準(zhǔn)構(gòu)型[12]基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展了冷卻通道優(yōu)化而得到的支板熱防護(hù)優(yōu)化構(gòu)型。由文獻(xiàn)[12]可知，基準(zhǔn)構(gòu)型對(duì)支板的冷卻效果有限，且冷卻劑利用率低，因此，優(yōu)化構(gòu)型從前緣通道面積、冷卻通道間距、前緣半徑和壁厚等方面對(duì)支板冷卻構(gòu)型進(jìn)行了優(yōu)化，其中前緣冷卻通道橫截面積由基準(zhǔn)構(gòu)型的4.5 mm2縮小至2 mm2，尖劈部分的冷卻通道數(shù)量由2個(gè)增加為4個(gè)，同時(shí)相鄰冷卻通道之間的間距減小為1 mm。

1.2 數(shù)值方法及校驗(yàn)

1.2.1 數(shù)值方法

本文采用商用CFD軟件Fluent開展了不同影響因素下的支板主動(dòng)冷卻耦合計(jì)算。來(lái)流參數(shù)如表1所示，此計(jì)算工況參數(shù)綜合考慮了Ma0.8引射模態(tài)的大流量高溫火箭射流以及Ma6超燃模態(tài)的小流量火箭增推模式的燃燒室熱環(huán)境，給出了一個(gè)來(lái)流高熱流、冷卻劑流量較小的支板主動(dòng)冷卻的嚴(yán)苛工況，旨在體現(xiàn)寬域工作發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料支板與超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料支板工作參數(shù)的不同。若支板在此工況下能通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足熱防護(hù)要求，則其他工作模態(tài)下應(yīng)當(dāng)同樣滿足。

冷卻劑為C12H23，入口為質(zhì)量流量入口，冷卻劑出口為壓力出口，出口壓力為2 MPa，支板壁面材料為不銹鋼，金屬壁面與燃?xì)夂屠鋮s劑之間的界面采用耦合傳熱邊界，其中冷卻劑和固體材料的物性參數(shù)如表2所示。燃?xì)鈪^(qū)域的入口邊界為壓力入口，由于在RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)流道內(nèi)來(lái)流空氣與燃?xì)鈸交鞎?huì)進(jìn)一步發(fā)生燃燒反應(yīng)，但本文中的燃料支板位于流道軸向位置的后方區(qū)域，來(lái)流中未完全燃燒的燃料很少，因此忽略高溫燃?xì)鈪^(qū)域的化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，為了提高模型準(zhǔn)確度，離散格式選為二階離散格式。

表1 高溫來(lái)流參數(shù)

表2 材料物性參數(shù)

1.2.2 模型校驗(yàn)

為了保證模型計(jì)算的準(zhǔn)確度，本文對(duì)文獻(xiàn)[13]中的物理模型進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證計(jì)算。文獻(xiàn)中超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的支板厚度為10 mm，楔形夾角為20°，前緣半徑為1 mm，來(lái)流參數(shù)如表3所示，對(duì)應(yīng)的飛行馬赫數(shù)為Ma6，飛行高度24.5 km。

表3 校驗(yàn)算例邊界條件

圖3～4為校驗(yàn)算例的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，左側(cè)為本文計(jì)算結(jié)果，右側(cè)為文獻(xiàn)中的結(jié)果。圖3為Ma6時(shí)的壓力云圖，由圖可知，由于來(lái)流為超聲速流，在支板前緣形成激波，激波處壓力達(dá)到0.6 MPa，而支板尖劈后面的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于支板前緣處壓力。支板尖劈與支板等直段相交處形成激波，該處壓力曲線上壓力值為0.1 MPa左右，壓力分布及變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[13]基本相同。圖4為該工況下溫度場(chǎng)云圖。支板前緣處，由于氣流滯止，溫度接近來(lái)流總溫，達(dá)到1 700 K左右。支板兩側(cè)存在斜激波，導(dǎo)致流動(dòng)分離，使得支板兩側(cè)溫度低于前緣，且在支板兩側(cè)溫度變化并不劇烈。支板后壁面處由于回流產(chǎn)生局部低壓區(qū)，造成對(duì)支板尾緣加熱明顯。對(duì)比文獻(xiàn)[13]中的溫度云圖，可知其分布趨勢(shì)基本相同。根據(jù)壓力和溫度云圖可知，支板前緣駐點(diǎn)附近會(huì)形成局部的高溫高壓流場(chǎng)區(qū)域，強(qiáng)化高溫燃?xì)馀c固體壁面之間的換熱效果，是支板最容易產(chǎn)生燒蝕損壞的部位。為進(jìn)一步證明本文所用數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，對(duì)支板前緣線上的溫度、支板前緣及側(cè)面上的熱流密度分布進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)中，相同工況下支板前緣駐點(diǎn)處溫度為1 670 K，本文計(jì)算結(jié)果為1 700 K，比文獻(xiàn)中溫度略高，相對(duì)誤差為0.9%。設(shè)定支板壁面為恒溫壁面，溫度為1 250 K，計(jì)算得到熱流密度如圖所示，前緣駐點(diǎn)處熱流最高為2.2 MW/m2左右，低于文獻(xiàn)中的2.36 MW/m2，相對(duì)誤差為6.78%。同時(shí)，本文的數(shù)值方法也與本單位之前RBCC內(nèi)流道和冷卻劑側(cè)的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了比較，校驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[12,14]，從壓力、熱流、流量分配比等參數(shù)的結(jié)果來(lái)看，本文采用的計(jì)算模型精度能夠滿足工程計(jì)算的要求。

圖3 Ma6工況壓力云圖對(duì)比

2 結(jié)果與分析

2.1 前緣半徑對(duì)主動(dòng)冷卻效果的影響

較小的前緣半徑可以保證支板具有良好的氣動(dòng)性能，減小氣動(dòng)阻力，但支板前緣是來(lái)流燃?xì)獾臏裹c(diǎn)，承受著極大的溫度和熱流，而前緣鈍化可以降低滯止點(diǎn)熱流，更易于進(jìn)行熱防護(hù)設(shè)計(jì)，因此支板前緣多采用鈍化處理。然而，前緣半徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致支板阻力和總壓損失增加，因此氣動(dòng)性能和熱防護(hù)設(shè)計(jì)存在著矛盾，如何平衡與優(yōu)化設(shè)計(jì)前緣尺寸，是支板性能與熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

本文針對(duì)支板優(yōu)化冷卻構(gòu)型進(jìn)行了不同前緣半徑的數(shù)值模擬，前緣半徑分別為0.5 mm,0.75 mm,1.0 mm。圖5所示為15 g/s冷卻劑流量，支板壁厚0.75 mm時(shí)不同前緣半徑的支板表面溫度云圖。對(duì)比基準(zhǔn)構(gòu)型的計(jì)算結(jié)果[12]可知，優(yōu)化構(gòu)型的支板尖劈部分壁面溫度相對(duì)于基準(zhǔn)構(gòu)型降低，對(duì)比前緣溫度分布可知，前緣通道橫截面積減小優(yōu)化了冷卻效果，且前緣處的高溫區(qū)域面積更小，溫度梯度減小，支板壁面溫度在材料許用溫度范圍以內(nèi)。同時(shí)，前緣半徑增大降低了支板前緣的熱流和主動(dòng)冷卻難度，在冷卻劑流量不變的條件下，隨著前緣半徑的增大，支板表面溫度明顯降低且表面溫度分布更加均勻，但隨著支板前緣半徑的增大，相同冷卻劑流量下支板表面溫度降低的幅度減小。

圖5 不同前緣半徑下的支板壁面溫度分布云圖

圖6 不同前緣半徑下前緣線熱流分布

圖6為不同半徑下支板前緣線的熱流分布曲線。由圖可知，優(yōu)化構(gòu)型的熱流較大，更多由壁面?zhèn)魅氲臒崃勘焕鋮s劑吸收帶走，前緣半徑增大0.25 mm時(shí)熱流減小1.5 MW/m2以上，隨著前緣半徑增大，熱流減小的趨勢(shì)變快，前緣半徑為0.5 mm時(shí)，前緣平均熱流約為前緣1 mm時(shí)的2倍。同時(shí)，支板前緣線上的熱流分布并不均勻，靠近冷卻劑入口位置由于冷卻劑對(duì)冷卻通道壁面沖擊作用導(dǎo)致該處換熱增強(qiáng)，熱流更高；隨后，熱流變化趨于平緩，靠近支板底部位置由于集液腔存在使換熱面積增大，且該處冷卻劑流入集液腔是沖擊集液腔下壁面使得換熱強(qiáng)化，故此處熱流急劇增大。

對(duì)比溫度云圖、熱流曲線可得，前緣半徑為0.5 mm時(shí)，支板前緣熱流高，冷卻效果不夠好；前緣半徑為0.75 mm時(shí)，支板壁面溫度低于材料許用溫度，當(dāng)前緣半徑繼續(xù)增大時(shí)，產(chǎn)生的阻力和壓力損失更加明顯，由于熱防護(hù)設(shè)計(jì)需要在盡量小影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的前提下開展，故盡管前緣半徑1 mm的支板結(jié)構(gòu)能夠提供更加有效的熱防護(hù)效果，仍然選擇0.75 mm作為設(shè)計(jì)尺寸。

2.2 壁厚對(duì)主動(dòng)冷卻效果的影響

壁面厚度作為支板主動(dòng)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)支板的主動(dòng)冷卻效果具有重要影響，本節(jié)在基于2.1節(jié)0.75 mm前緣半徑的支板構(gòu)型基礎(chǔ)上，開展了不同壁厚的支板主動(dòng)冷卻的數(shù)值模擬，壁厚分別為0.5 mm，0.75 mm，1 mm。

圖7為前緣半徑為0.75 mm，壁厚分別為0.5 mm,0.75 mm和1 mm時(shí)支板的壁面溫度云圖，由圖可知，壁厚越小，冷卻效果越好，壁厚為1 mm時(shí)，前緣、尾緣尖角處溫度明顯高于其他2種構(gòu)型。

圖7 不同壁厚下的支板壁面溫度分布云圖

圖8為不同壁厚下的支板前緣熱流曲線，由圖可知，壁厚越大熱流越小，即換熱效率越低，相同冷卻劑流量下能夠帶走的熱量越少，冷卻效果越差，且從熱流曲線穩(wěn)定段看出，壁厚相差0.25 mm導(dǎo)致的熱流差距達(dá)到0.75 MW/m2，壁厚0.5 mm時(shí)熱流比1 mm高出2 MW/m2以上；由于靠近冷卻劑進(jìn)口位置冷卻劑直接沖擊冷卻通道內(nèi)壁使得局部傳熱增強(qiáng)，故出現(xiàn)局部高熱流區(qū)域，對(duì)比不同壁厚的構(gòu)型，可知壁厚越小，該區(qū)域內(nèi)熱流越快達(dá)到峰值，熱流變化越劇烈；根據(jù)圖示熱流曲線可以看出，前緣線上的熱流是變化的，但是壁厚越小，熱流在前緣線上的分布越均勻。為取得最佳的冷卻效果，選取支板壁厚為0.5 mm。

圖8 不同壁厚下前緣線熱流分布

2.3 冷卻劑流量分配對(duì)主動(dòng)冷卻效果的影響

在冷卻劑流量一定的情況下，合理的流量分配可以改善支板的整體冷卻效果，根據(jù)2.1和2.2的計(jì)算結(jié)果可知，支板前緣及尖劈部分是最難冷卻的，本節(jié)通過(guò)調(diào)整冷卻劑流量分配實(shí)現(xiàn)對(duì)支板前緣、尖劈部分更好的主動(dòng)冷卻。本文提出了3種冷卻劑流量分配方式：①冷卻劑同時(shí)從支板尖劈及支板尾部的冷卻通道進(jìn)入(q1)；②冷卻劑從支板尖劈部分冷卻通道進(jìn)入(q2)；③冷卻劑從靠近前緣處的單個(gè)冷卻通道進(jìn)入(q3)，如圖9所示。

圖9 3種冷卻劑流量分配方式

圖10～11為采用不同冷卻劑分配方式時(shí)支板前緣線上的熱流與溫度曲線，圖中對(duì)冷卻劑流量為15 g/s和30 g/s的情況進(jìn)行了對(duì)比。由圖可知，相同冷卻劑流量下通過(guò)增加前緣處冷卻劑流量配比可以明顯降低前緣線上的溫度，冷卻劑流量為15 g/s時(shí)，q3分配方式比q2溫度降低約90 K,q2比q1溫度降低約80 K，而由于壁面溫度降低使得對(duì)流換熱增強(qiáng)，前緣線熱流密度增大，換熱效率得到強(qiáng)化，q2的前緣熱流比q1提高約0.3 MW/m2，q3比q1提高約0.6 MW/m2；前緣溫度曲線顯示，靠近入口處冷卻劑對(duì)通道內(nèi)壁面的沖擊作用具有很大強(qiáng)化換熱效率的作用，使得該部分熱流變大，溫度降低；靠近支板底部位置，由于集液腔存在，換熱面積增大以及冷卻劑對(duì)集液腔底面的沖擊作用，使得該處局部熱流密度增大，壁面溫度降低；最后部分是支板底面固體壁面部分，由于前緣尖銳，冷卻劑在這一部分通道內(nèi)改變流動(dòng)方向，換熱效率較低，且來(lái)流在支板底面下方產(chǎn)生低速回流形成高溫區(qū)域，因此該處溫度明顯升高。

圖10 不同流量分配方式的前緣溫度曲線

圖11 不同流量分配前緣熱流曲線

圖12為采用不同流量分配時(shí)冷卻劑平均溫升及壓力損失曲線。

圖12 冷卻劑平均溫升及壓力損失曲線

由圖12a)可知，第3種方式溫升最小，但是其對(duì)支板前緣的冷卻效果最好，說(shuō)明從支板其他部分吸收的熱量最少，從前緣吸收的熱量增加；第2種方式溫升最大，表明冷卻劑吸收的熱量最多，說(shuō)明這種方式既能保證冷卻劑對(duì)前緣進(jìn)行足夠的冷卻，同時(shí)保證對(duì)其他部分吸收較多的熱量；由圖12b)可知，q1,q2方式冷卻劑流動(dòng)過(guò)程中壓力損失很小，約為0.1 MPa，而q3方式壓力損失明顯高于前2種方式，且隨著冷卻劑流量增大顯著增加，在冷卻劑流量50 g/s時(shí)高達(dá)3.5 MPa，其原因在于管路的壓力損失與流體的ρV2成正比，q3將冷卻劑全部通入前緣的單個(gè)冷卻通道，雖然前緣冷卻效率最高，但同時(shí)管內(nèi)流速增大，壓力損失也隨之急劇增加，對(duì)供應(yīng)系統(tǒng)的要求也更高。

通過(guò)上述分析可知，需要合理分配冷卻劑流量以實(shí)現(xiàn)對(duì)支板更好的冷卻效果，支板前緣是冷卻的難點(diǎn)，流量一定時(shí)，冷卻劑全部從前緣冷卻通道進(jìn)入可以使支板前緣溫度最低，但是由于支板本身尺寸很小，冷卻劑在冷卻通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)間很短，冷卻劑吸熱能力不能充分利用；且由數(shù)值計(jì)算可知，這種方式壓力損失很大，增加了供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度；為提高換熱效果，支板與高溫燃?xì)庵g的壁厚盡量取小，故其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到限制，冷卻劑通道內(nèi)部壓力過(guò)大容易造成結(jié)構(gòu)失效。上述分析中第2種(全部冷卻劑流量用來(lái)冷卻支板尖劈部分)冷卻劑分配方案也能對(duì)支板實(shí)現(xiàn)較好的冷卻效果，且其壓力損失很小，冷卻劑熱沉利用率相對(duì)較高，因此采用冷卻劑由支板尖劈部分進(jìn)入的第2種分配方式q2對(duì)于整個(gè)支板冷卻通道設(shè)計(jì)更為有利。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)典型寬域工作RBCC模型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料支板，在前期工作基礎(chǔ)上，對(duì)冷卻通道布局進(jìn)行了增強(qiáng)換熱優(yōu)化，開展了不同前緣半徑、壁厚、流量分配方式的支板主動(dòng)冷卻數(shù)值模擬，分析了3個(gè)因素對(duì)支板主動(dòng)冷卻效果的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了支板主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。主要結(jié)論如下：

1)在冷卻劑流量、壁厚、流量分配方式相同的情況下，隨著前緣半徑增大，前緣熱流急劇減小，前緣溫度和溫度梯度降低，橫截面溫度分布更加均勻，但過(guò)大的前緣半徑也會(huì)造成支板的氣動(dòng)阻力明顯增大，因此前緣半徑的選擇需綜合考慮氣動(dòng)性能和熱防護(hù)需求，從傳熱角度出發(fā)，前緣半徑可設(shè)置為0.75 mm。

2)在其他條件相同時(shí)，壁厚越大，熱流越小，冷卻效果越差；壁厚0.5 mm時(shí)熱流比壁厚1 mm時(shí)高出2 MW/m2左右；從換熱角度出發(fā)，為保證支板的冷卻效果，燃料支板壁厚可選為0.5 mm。

3)通過(guò)對(duì)比3種冷卻劑分配方式的支板冷卻結(jié)果可知，冷卻劑更多的分配給前緣等受熱嚴(yán)重區(qū)域可以增強(qiáng)特征區(qū)域的冷卻效果。但同時(shí)過(guò)大的前緣冷卻通道流速會(huì)增大通道的壓力損失，給供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加難度，因此第2種分配方式最優(yōu)，既能提高前緣冷卻效率，又能保證對(duì)其他部分的有效冷卻。

4)通過(guò)支板主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，能顯著降低燃料支板的冷卻流量需求，同時(shí)，針對(duì)不同影響因素的參數(shù)優(yōu)選研究給主動(dòng)冷卻的燃料支板提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。