金属蜂窝与再生冷却通道的传热特性研究

论文摘要

可重复使用运载器和高超声速飞行器技术发展面临着严峻的高温热防护问题。金属热防护系统与再生冷却技术是这类飞行器热防护技术的重要组成,研究其传热特性与热设计方法具有重要意义。本文针对气动加热下金属蜂窝的传热特性与高温燃气加热下再生冷却通道的传热特性及系统热设计方法,开展了理论分析与数值模拟研究。主要内容包括:1.采用有限容积法结合蒙特卡罗法建立了金属蜂窝夹层板的二维耦合传热数值模型,编制了计算程序。通过模拟计算,获得了金属蜂窝夹层板的温度分布与当量导热系数,分析了不同条件下金属蜂窝夹层板内的传热机制,考察了几何参数、热物性等因素的影响。2.基于对流–辐射耦合边界条件下的导热理论,建立了再生冷却通道的耦合换热计算模型。分别采用有限容积法、蒙特卡罗法、实验关联式计算导热、辐射与对流换热,编制了计算程序。在考虑冷却剂热物性与辐射特性随温度变化的条件下,对四种典型的对流换热实验关联式的适用性进行了计算分析;讨论了不同条件下冷却通道内的辐射换热作用。3.通过分析再生冷却面板的传热过程,建立了再生冷却通道结构热设计模型,提出了基于加热热流密度分布与壁面温度约束控制的再生冷却面板热设计自适应算法,编制了设计计算程序。通过案例计算,验证了算法的可行性。通过研究,对金属蜂窝夹层板与再生冷却通道的传热特性形成了较深入的认识,为金属热防护技术的应用提供了有价值的参考依据与可供选择的热设计计算方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 金属蜂窝传热特性
• 1.2.2 再生冷却技术
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 导热和辐射耦合传热的基本算法
• 2.1 有限容积法
• 2.1.1 区域离散化
• 2.1.2 控制方程离散化
• 2.1.3 源项、边界条件处理
• 2.1.4 离散方程组求解方法
• 2.2 蒙特卡罗法
• 2.2.1 蒙特卡罗法计算辐射换热的基本原理
• 2.2.2 辐射光束与表面的数学描述
• 2.2.3 辐射传递的主要概率模型
• 2.2.4 跟踪求解与坐标转换
• 2.3 本章小结
• 第3章 金属蜂窝传热特性研究
• 3.1 结构特点及模型简化
• 3.2 传热机理分析
• 3.3 数理模型
• 3.4 数值模型
• 3.4.1 区域离散化
• 3.4.2 控制方程离散化
• 3.4.3 辐射源项处理
• 3.5 蜂窝传热特性分析
• 3.5.1 蜂窝芯当量导热系数定义
• 3.5.2 程序准确性验证
• 3.5.3 当量导热系数的主要影响因素
• 3.5.4 蜂窝内热量传递机制分析
• 3.5.5 蜂窝内温度分布不均匀性
• 3.6 本章小结
• 第4章 再生冷却通道内耦合换热特性分析
• 4.1 数理模型
• 4.1.1 几何模型及假设
• 4.1.2 控制方程及边界条件
• 4.1.3 壁面与冷却剂间的对流换热
• 4.1.4 壁面与冷却剂间的辐射换热
• 4.2 数值模型
• 4.2.1 区域离散化
• 4.2.2 控制方程离散化
• 4.2.3 边界条件离散化
• 4.2.4 离散方程组迭代求解
• 4.3 物性计算模型
• 4.4 对流换热准则式的选择
• 4.5 计算结果和讨论
• 4.5.1 壁温、温差的影响
• 4.5.2 结构参数的影响
• 4.5.3 质量流量的影响
• 4.5.4 压强的影响
• 4.5.5 辐射换热热流密度分布
• 4.5.6 温度分布特征
• 4.6 本章小结
• 第5章 再生冷却面板的自适应设计计算
• 5.1 模型简化
• 5.2 传热计算
• 5.2.1 通过内壁的导热
• 5.2.2 液壁与冷却剂间的对流换热
• 5.2.3 考虑通道内辐射换热
• 5.2.4 侧壁和外壁的肋效应
• 5.2.5 冷却通道单元段的换热
• 5.3 压降计算
• 5.3.1 沿程压降
• 5.3.2 局部压降
• 5.4 自适应设计计算流程
• 5.5 再生冷却影响因素分析
• 5.5.1 内壁厚度的影响
• 5.5.2 通道高度的影响
• 5.5.3 通道宽度的影响
• 5.5.4 侧肋厚度的影响
• 5.5.5 冷却剂流动方向的影响
• 5.6 再生冷却的自适应设计计算
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢