燃燒室內壁面發汗冷卻數值模擬研究

劉 學，楊海威 ，周偉星

(1.哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

航空航天領域大推力、高馬赫數飛行器需要承受復雜的力熱載荷，因此高效的熱防護系統設計是關鍵技術之一。極高熱流密度的能量轉換傳遞中，若未采取高效的熱防護措施用作高溫壁面的冷卻，將會使得材料因高溫而損傷偏離安全范圍，導致飛行任務的失敗，造成難以估量的后果。

熱防護措施通常分為主動熱防護和被動熱防護兩種形式。主動熱防護包括對流冷卻、沖擊冷卻、膜冷卻和發汗冷卻。本文研究的發汗冷卻是冷卻工質流經多孔材料內部時由于自身溫度較低，與固體骨架形成溫度差，所以通過對流可以帶走部分熱量，也可以阻隔外部高溫燃氣對固體壁面的快速加熱，阻止燒蝕情況的發生。

在實驗方面，Weinbaum利用不同的金屬材料作為多孔介質的固體骨架，分析對發汗冷卻效果的影響。2004年Greuel證明冷卻效率隨著冷卻劑流量的增加而線性增加，并表明，通用模型預測邊界層的冷卻效果的影響時誤差較大。2007年Otsu證明，發汗冷卻在冷卻過程中，少量的冷卻工質也會在很大程度上消耗熱量。2018年Xiao對鼻錐的發汗冷卻進行了實驗研究，分析了冷卻劑邊界層對激波的影響。

在數值方面，Lezuo建立多孔介質換熱模型，該模型可以用來評估多孔壁面溫度隨著時間的變化過程。2008年Juki利用兩相流模型分析了多孔介質內部傳熱傳質過程進行了研究，分析發現流體流速的增大會加大流—固之間的溫度差，相變發生時，液態工質巨大的潛熱會吸收更多的熱流，使得此種現象更加明顯?！?br>