溢流降低前缘热流率研究

	溢流降低前缘热流率研究
	陈兵
导师	俞鸿儒 ; 陈宏
	2014
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位类别	博士
学位专业	流体力学
摘要	未来长时间、远距离的高超声速飞行要求飞行器在保持良好升阻比的同时，还要防止诸如飞行器机翼和尾翼前缘等部位的烧蚀，前缘的防热已经成为未来飞行器发展的重点之一。逆向射流对于气动加热严重部位的飞行器前缘具有降低热流率的效果，但因流场的重构而会产生局部气动加热率恶化的状况。我们设想：如果利用逆向射流的射流孔，控制喷流冷却液的压力，使其不喷成射流，而是使冷却液溢流出，在头部扰流气体的表面摩擦力作用下，将冷却液展布为薄膜，覆盖在周围，或者散布在表面边界层中，冷却液覆盖之处，热流率定能大大降低。本文在此思想下提出了溢流降低前缘热流率的新防热方式，并展开了相关研究。溢流降低前缘热流率是指在前缘表面覆盖一层冷却液膜，通过冷却液的升温和蒸发以及液膜的流动和隔离来消耗气动加热量，使到达前缘表面的热流率降低的一种无烧蚀防热技术。根据溢流防热的原理和关键技术，本文提出了一种简单且操作方便的冷却液注入方案，并设计了相关装置，在这个基础上重点对溢流在爆轰风洞高热流状态下的防热效果进行研究，为新防热方式提供初步的可行性评估和论证。本阶段主要研究内容如下： (1) 溢流液膜形成条件的研究。针对液膜形成条件，设计并进行了冷喷和爆轰风洞相关实验研究，通过实验观察到：液膜形成与来流状况（主要是来流流速和环境压力之比，反映成无量纲量为动静压之比）和溢流流量有关，动静压之比越大越容易形成液膜，而溢流流量却需要在一定范围内才能形成液膜，溢流流量过高会产生射流而使其降热机理发生改变。 (2) 进行了溢流降低前缘热流率的数值分析。根据溢流的特性，将整个钝头体外部流场简化为边界相互耦合的三层分层模型。通过数值计算得到：采用溢流能够有效降低钝头体表面热流，降热效率随着溢流流量增加而增大，并存在溢流流量的极值点，在该点时单位质量的降热效率最大，并能够保护整个头部。 (3) 溢流实验相关技术的研究。针对溢流降热实验的需求，首先以爆轰技术为基础，运用JF-14 燃气激波风洞建立起一套高热流实验气流模拟装置。通过双爆轰和单爆轰两种爆轰风洞运行方式，成功产生了试验时间在16ms 至32ms，模型半径为17.5mm 时驻点热流为2MW/m2 左右的4 种不同状态的高温实验气流；其次研制了高精度同轴热电偶瞬态热流传感器，研制成的传感器精度优于7%，溢流降低前缘热流率研究 ii 该传感器有尺寸小、抗冲刷能力强和频响高，以及敏感部能打磨成任意形状等优点，能够很好的满足溢流实验的需求；最后设计了以蜗轮蜗杆、注射器和光电解码控制器组成的溢流注入装置，和以电信号为触发基础的实验同步控制系统，为溢流实验和实际运用提供了保障。 (4) 在4 个典型高温来流状态下，通过Rn=17.5mm 钝头体热流值对比的水溢流降热实验发现：溢流确实能够有效降低钝头体前缘的热流，最大的降热效率都达到50%以上；总温、总压越小，溢流的降热效率越高；溢流降热实验对溢流流量的需求很小，在小溢流流量下整体降热效果基本与流量呈正相关；在一定状态下（来流P0=7.5bar, T0=2860K，出口马赫数为5.5 的爆轰风洞实验，溢流流量为 0.04g/s），最大的降热效率能够达到约100%，降热效果十分明显。
索取号	31126
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48983
专题	高温气体动力学国家重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	陈兵. 溢流降低前缘热流率研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.

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