對流式主動冷卻結構影響參數分析

侯宜朋，侯　赤，萬小朋，江紅星

(1.西北工業大學 航空學院，西安　710072；2.四川航天技術研究院 總體設計部，成都　610100)

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對流式主動冷卻結構影響參數分析

侯宜朋1，侯赤1，萬小朋1，江紅星2

(1.西北工業大學 航空學院，西安710072；2.四川航天技術研究院 總體設計部，成都610100)

設計了雙蜂窩夾芯對流冷卻結構及實驗方案，采用流固耦合傳熱數值算法對雙蜂窩夾芯簡化模型進行傳熱分析。通過實驗表明雙蜂窩夾芯對流冷卻結構有效阻隔了熱量向結構內層傳遞，具有良好的防熱性能，且數值計算結果與實驗測量結果高度吻合，數值算法準確有效。以熱流管為模型，通過控制變量的方法，研究不同影響參數對對流冷卻結構防熱性能影響，得到不同結構參數及冷卻工況條件下對流冷卻面板防熱性能的變化規律。

熱防護；主動冷卻；流固耦合；影響參數

0　引言

20世紀50年代，美國人提出了主動冷卻熱防護系統概念，NASA與美國海軍都提出過不同的主動冷卻方案。近些年，隨著新材料與新技術的發展，推動了主動冷卻結構微型化、輕量化革新[1]，主動冷卻結構也逐漸在廣泛的領域得以應用，如RLV(Reusable Launch Vehicle)表面熱防護系統、大口徑火炮身管冷卻系統、超燃沖壓發動機燃燒室壁板隔熱結構等[2-4]。隨著高超聲速飛行器的發展，很多學者開展了有關主動冷卻方案的研究。Rakow J F等研究了金屬泡沫夾芯面板對流熱防護系統的熱屈曲問題，使用該結構能減小熱防護結構外表面變形，并通過實驗驗證了數值模擬的正確性[5]。彭麗娜研究了基于耐高溫材料的復合主動冷卻結構的冷卻效果，設計了相關實驗裝置，論證了基于該耐高溫復合材料的主動冷卻模式防熱效果更佳[6]。張建進行了三維瞬態方形管流的熱流固耦合數值模擬，得到溫度場與應力分布規律[7]。李相旺給出了主動冷卻結構熱力響應近似分析方法，使用該方法計算了熱載環境下結構的溫度場與應力場[8]。目前大部分研究偏向于主動冷卻結構熱響應計算方法，而有關對流式主動冷卻結構冷卻性能影響因素的研究還比較少。因此，有必要對影響對流式主動冷卻結構冷卻性能的參數進行深入研究，了解性能參數對冷卻效能的影響，為結構設計提供指導。

本文提出了基于RLV的雙蜂窩夾芯主動冷卻熱防護方案，對該方案進行了數值計算與實驗模擬，主要分析影響對流式主動冷卻結構傳熱性能的參數。

1　對流換熱結構傳熱機理

雙蜂窩夾芯式主動冷卻熱防護方案涉及金屬蜂窩和對流式主動冷卻面板兩部分的能量傳遞過程。金屬蜂窩的導熱是以熱輻射為主，熱傳導為輔的混合式傳熱過程，關于金屬蜂窩的熱響應已有比較完善的研究結果，此處不再贅述。對流冷卻面板在高溫環境下通過冷卻通道內的冷卻工質帶走熱量的方式，將結構體溫度控制在安全工作溫度內。該過程包括面板結構的熱傳導、流體和固體界面的傳熱和管道內流體的流動與傳熱，是一個典型的流固耦合傳熱問題。

1.1固體傳熱分析

對流面板內部固體區域的導熱過程是固體熱傳導的過程。這一過程遵循傅里葉定律。不考慮內熱源影響，三維非穩態導熱微分方程的形式為

(1)

式中ρ為密度；c為比熱容；Ts為固體溫度場函數；t為時間。

通過對三維導熱方程的求解可得到對流冷卻面板固體域的溫度分布。

1.2流固耦合換熱分析

對于通道內的流體，當溫度較低的流體在外部力的驅動下進入對流換熱管道時，可視作高溫壁面對流體加熱的過程，這是個伴隨著能量交換的流動過程，該過程可用流場的基本控制方程——N-S方程概括。N-S方程自封閉，求解可得流場的溫度分布與速度分布。

流固耦合傳熱問題是指在壁面處，固體熱傳導與流體熱對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狀態，附面層中出現大速度梯度區，最終趨同于來流的速度值。在附面層內，固體壁面側傳遞的熱流在附面層低速區內通過熱傳導擴散，并不斷被流體的流動而帶到下游，以熱對流的形式完成能量傳遞?？梢哉f，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實現，故對附面層區域的計算將直接影響結果的準確性。壁面處的換熱問題受流體域與固體域2個計算域的結果影響，因此需要將2個場聯合求解。壁面處的連續條件：

(2)

2　熱防護系統方案及數值算法驗證

本文研究以RLV為背景的主動冷卻方案，提出了適用于RLV的金屬——主動冷卻混合熱防護方案，設計了雙蜂窩夾芯對流冷卻結構，即上下2層為帶蒙皮的金屬蜂窩面板，夾層為含通道的對流冷卻面板，如圖1所示。

金屬蜂窩結構具有質量輕，熱阻大的優點，用以抵御RLV的外層熱沖擊，熱載荷從上層蜂窩直接輸入。結構的上下金屬蜂窩面板尺寸相同，蜂窩單胞尺寸邊長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，單個蜂窩板中蜂窩胞元為566個。

對流冷卻面板以銑削工藝在金屬基板上加工出6組S型對流通道，熱量通過上蜂窩面板傳遞給中間的對流冷卻面板，經過兩相間能量交換后，可使內部結構的工作溫度保持在一個安全的范圍內。試驗件選用2024鋁合金進行加工，使用膠接工藝將各層結構粘連成型，具體尺寸如表1所示。

圖1　雙蜂窩夾芯對流冷卻結構示意圖

整體尺寸221×174×52金屬蜂窩面板厚度21對流冷卻面板厚度10通道截面尺寸3×3相鄰通道中軸線間距9通道轉折處距邊線距離6

2.1數值計算

通常，通過式(2)聯立流固2個計算域，迭代求解可分別求得流體與固體溫度場。這涉及不同的2個求解器，需要先使用ABAQUS或ANSYS計算固體溫度分布，再使用CFX計算流體域，每個物理場間獨立求解，反復迭代，直至在耦合界面上結果收斂為止。本文使用在同一求解器中計算流固耦合傳熱問題的MFS(Multi-Field Solver-Single code coupling)數值方法[9]，使用流體計算軟件CFX對流固耦合傳熱進行模擬。CFX中流體域的熱傳導通過能量輸運方程來控制：

(3)

CFX中固體域的熱傳導使用對流方程來進行模擬：

(4)

由于涉及到含附面層的流場計算，工作量非常之大，需對試驗件模型進行簡化處理。對試驗件模型選取1/6建模，上下金屬蜂窩面板引入等效熱導率概念，視作各向同性材料，通過對金屬蜂窩單胞熱響應的數值模擬，在溫度載荷500K以下的低溫段，金屬蜂窩的等效熱導率隨溫度變化影響不大，取等效熱導率k=0.29W/(m·K)。流體計算域的網格質量非常重要，將直接影響計算結果的準確性，需對附面層處網格細化，簡化模型如圖2所示。

圖2　簡化模型示意圖

加載邊界條件：

(1)上壁面：溫度邊界條件，在 298～423K溫度段內選擇離散點進行穩態加載；

(2)下壁面：對流邊界條件，室內空氣自然對流為6W/(m2·K)；

(3)左右壁面：對稱邊界條件；

(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，參考壓力選擇平均靜壓為0Pa；

(6)交界面：界面連續條件，能量交換為保守熱流密度。

對簡化計算模型施加上述邊界條件及加載條件，采用MFS數值方法進行計算，由結構到達穩態后的計算結果發現對流式主動冷卻結構具有很好的防熱性能，對流冷卻面板有效阻隔了熱量向結構內層傳遞，在管道處進行了強烈的能量交換，由冷卻工質帶走了外表面傳遞的大量熱量。通過對流冷卻面板后結構溫度趨于穩定，保證了內部材料的有效力學性能。

2.2實驗方案與驗證

本文采用穩態測量的實驗方法和相關實驗裝置來進行雙蜂窩夾芯對流冷卻熱防護系統防熱性能的研究。實驗方案實施方法如圖3(a)所示。

(a)實驗方案

(b)部分實驗裝置

實驗中使用恒溫加熱臺模擬溫度載荷邊界條件，加熱端最高溫度載荷150 ℃。使用熱導率為0.09W/(m·K)的耐高溫陶瓷纖維毯作為隔熱材料，模擬數值計算中的絕熱邊界。使用循環水作為對流冷卻面板的冷卻工質，由6個32W微型潛水泵驅動，使用熱電偶溫度采集裝置進行數據采集。實驗分別提取對實驗件加載至48、71、96、125、147 ℃并達到穩態后下蜂窩面板輸出溫度平均值與數值計算結果分析比對?？紤]到實驗件尺寸效應影響，由熱電偶7、8、9所測量溫度平均值表征下蜂窩面板輸出溫度。如圖4所示，數值計算結果與實驗結果吻合較好，證明數值計算實施方法的選用正確，后文的數值分析可建立在此MFS方法上進行。

需指出，極端高溫氣動加熱條件難以通過實驗模擬，本文實驗所模擬的熱載荷環境并非RLV表面熱防護系統真實載荷環境，旨在論證熱防護系統方案的可行性與數值算法的正確性。

圖4　下蜂窩面板輸出溫度實驗值與計算值對比

3　對流冷卻結構影響參數分析

在確定MFS數值方法計算的正確性后，針對以鈦合金為材料的RLV對流冷卻結構進行分析，主要研究對流冷卻結構傳熱性能的影響參數。計算模型不再考慮金屬蜂窩面板及對流冷卻通道的形狀等因素，截取單一熱流管模型進行分析。材料熱物性參數及熱流管初始模型幾何尺寸如表2所示。采用控制變量法，在相同載荷環境條件下，逐次改變結構幾何參數或冷卻工況，通過數值模擬，求解熱流管結構下表面溫度及輸出熱流密度，研究不同參變量之間的關系及對結構冷卻性能的影響。

表2　熱流管材料屬性與結構參數

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

加載邊界條件：

(1)上壁面：熱流密度邊界條件，當結構外表面加熱達到1 800 ℃時[10-11]，通過數值計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：對流邊界條件，查閱相關資料，航天器結構內空氣對流換熱系數h=0.889 1 W/(m2·K)；

(3) 左右壁面：對稱邊界條件；

(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節中一致。

3.1結構參數對熱流管冷卻性能的影響

考慮熱流管結構參數如：通道形狀、通道面積，通過控制單一變量，觀察下表面熱流密度與平均溫度的變化規律，見表3。

保持通道面積為9 mm2而其余工況不變時，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壁面積，有利于熱量在固體與液體之間的交換。

對于方形通道，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致了冷卻劑通量的增大，冷卻工況發生了變化。冷卻劑通量的增大會提高對流冷卻結構的冷卻性能。

表3　通道形狀及面積對熱流管傳熱性能的影響

3.2冷卻工況對熱流管傳熱性能的影響

考慮冷卻工質的不同工況對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律。

保持冷卻劑單位時間的通量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，觀察結構溫度響應變化，結果如表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)對流冷卻結構冷卻性能越好。這是由于冷卻劑與固壁面的熱量交換需要一定的時間，適當的降低流速可更好地發揮冷卻劑的冷卻效能，但當流速降低到一個程度后，由于冷卻劑冷卻效能趨于飽和，故對流冷卻結構冷卻性能也將達到一個定值。

以控制冷卻劑流速的方式來改變冷卻劑的通量，如表5所示，當通道截面積一定時，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，因此通量的增大可增強提高對流冷卻結構的冷卻性能，這與3.1節中通道面積對熱流管傳熱性能的影響結論一致。

表4　等通量時組合參數對熱流管傳熱性能的影響

表5　冷卻劑通量對熱流管傳熱性能的影響

4　結論

(1)設計了金屬蜂窩——對流冷卻面板混合式熱防護系統，分別分析了兩部分結構的傳熱機理。開展實驗驗證了熱防護系統的有效性，實驗結果與MFS算法數值分析結果高度吻合，表明數值分析方法準確有效；雙蜂窩夾芯式主動冷卻結構具有很強的冷卻能力，滿足RLV對熱防護系統能力的需求。

(2)對對流冷卻結構影響參數進行了重點研究，討論了不同結構參數、不同工況對熱流管冷卻性能的影響。通過研究發現，調整結構參數使對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流冷卻結構的熱防護能力。這一結論可為對流式主動冷卻熱防護結構的設計提供理論依據，也為結構的優化設計提供了基礎。

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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，研究方向為飛行器熱結構分析與設計 。E-mail:yipho007486@sina.com

V438

A

1006-2793(2016)01-0090-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.01.016