對流冷卻結構主動熱防護效率參數影響規律研究

謝亮 張新霞

摘 要：主動冷卻是高超聲速飛行器最主要的冷卻方式，文章探討了對流冷卻結構主動熱防護效率參數影響規律，為高超聲速飛行器放熱結構設計提供指導。

關鍵詞：對流冷卻結構；主動熱防護；效率參數；影響；規律

中圖分類號：V435+.14 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）18-0053-02

Abstract： Active cooling is the most important cooling method for hypersonic vehicle. In this paper， the influence of active thermal protection efficiency parameters on convection cooling structure is discussed， which provides guidance for the design of heat release structure of hypersonic vehicle.

Keywords： convection cooling structure； active thermal protection； efficiency parameter； influence； regularity

1 概述

高超聲速飛行器飛行時會有嚴重的氣動加熱，機體前端、翼前緣等駐點區域是關鍵設計位置。因此在高超聲速條件下設計飛行器的熱防護結構顯得極為重要。飛行器的冷卻系統包括三種：被動冷卻，半被動冷卻和主動冷卻。主動冷卻系統能夠在不改變飛行器氣動外形的條件下長時間工作，滿足了高超聲速飛行器高速巡航條件下的熱防護要求，其方式包括發汗冷卻，薄膜冷卻和對流冷卻三種。發汗冷卻和薄膜冷卻都可以提供一定的冷卻效果，但是可靠性不高。對流冷卻是在飛行器蒙皮結構下布置冷卻通道和管路，將燃料（或冷卻液）作為冷卻劑在其中循環流動，飛行器表面氣動加熱所產生的熱量，通過蒙皮直接或間接傳給流過的冷卻劑，以實現對飛行器的熱防護。

本文基于工程氣動熱算法進行氣動熱計算。

2 冷卻結構

冷卻結構如圖1（a）所示。計算時做簡化處理，見圖1（b），只選擇翼前緣的關鍵部分，其尺寸見圖2，通道軸心距離上表面為c。

3 計算方法及過程

內部管道采用工程管流算法，通過入口溫度，壁面溫度等參數計算出對流換熱參數，具體計算過程如下所述。

對流傳熱系數h表示為下式[1]：

式中：d為管道直徑；ρ為流體密度；λ為熱導率；ν為運動粘度；Pr為普朗特數。

流體出口溫度T1：

式中：cp為流體比熱；T0為入口溫度，W為壁面平均溫度。

在分析冷卻效果時，溫度是極為重要的一個參考。對某處溫度進行無量綱化，采用冷卻參數來表征：

（3）

式中，Tw為無冷卻時某處的溫度，Tcw為有冷卻時相應位置的溫度，其物理意義表征了在外部氣動加熱和內部冷卻的綜合作用下節點溫度下降的大小。可見η<1，且η值越大，冷卻效果越好。

計算區域劃分示意圖見圖3，假設將管道劃分為5段，第一段冷卻水入口溫度T0，出口溫度T1，壁面平均溫度Tw1，對流冷卻系數h1；第二段冷卻水入口為T1，出口溫度為T2，壁面平均溫度為Tw2，對流冷卻系數為h2，以此類推。

邊界條件按如下方式給出：各管道內有冷卻水通過，存在對流邊界條件，上表面有熱流輸入，其余面為絕熱條件。

采用MSC Patran自帶的PCL語言編寫PCL的文本文件，文件內包含幾何、有限元網格、材料、熱流/對流邊界條件等信息；其次利用MSC Patran生成可直接進行計算的有限元模型，并最終形成BDF文件，并利用NASTRAN進行初次計算，生成帶有計算結果的F06文件；再次，使用VB.net軟件編程提取F06文件中的各節點的溫度數據，并利用公式（1）、（2）分別計算每段對流換熱系數及入口溫度，將計算結果寫入新的BDF文件中，通過VB.net調用NASTRAN進行計算，并重復該步驟，直至計算結束；最后，利用VB.net提取F06文件中的各節點的溫度數據，并將節點溫度輸出為文本文件進行保存。

對于多種工況的計算，需模型改動則調整PCL文件中相應的變量，如管道位置等信息，再次按照上述步驟，重新運行程序并生成計算結果。從而獲取不同條件下，各節點隨時間變化的溫度數據。

4 冷卻結構參數及材料性能對冷卻效果的影響

4.1 結構尺寸對冷卻效果的影響

在邊界條件確定的情況下，研究管道距離受熱面的距離對冷卻參數的影響。圖4給出了冷卻參數隨管道位置c的變化。從圖中可知，隨著c變大，冷卻參數越來越小，即冷卻管道離受熱面越遠，冷卻效果越差。

4.2 冷卻劑流量對冷卻效果的影響

在冷卻管道位置確定時，給出了冷卻劑流量（質量流量）對冷卻效果的影響，如圖5所示。從圖中可知，冷卻劑流量越大，冷卻參數η越大，冷卻效果越好。

4.3 接觸熱阻對冷卻效果的影響

在主體結構與管道間建立接觸熱阻，通過賦予不同的接觸熱阻值，考核在不同接觸熱阻條件下冷卻參數的變化，結果如圖6所示。從圖中可知，接觸熱阻越大，冷卻參數η越小，冷卻效果越差。

5 結束語

本文研究了給定熱流條件下，給定模型中圓管位置、冷卻劑流量、接觸熱阻等參數對主動熱防護效率參數的影響規律，結果表明：越靠近受熱面，冷卻劑流量越大，接觸熱阻越小，冷卻效果越好。本研究結果可以為對流主動冷卻結構設計提供參考。

參考文獻：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006：243-252.