对流式主动冷却结构影响参数分析

侯宜朋，侯　赤，万小朋，江红星

(1.西北工业大学 航空学院，西安　710072；2.四川航天技术研究院 总体设计部，成都　610100)



对流式主动冷却结构影响参数分析

侯宜朋1，侯赤1，万小朋1，江红星2

(1.西北工业大学 航空学院，西安710072；2.四川航天技术研究院 总体设计部，成都610100)

设计了双蜂窝夹芯对流冷却结构及实验方案，采用流固耦合传热数值算法对双蜂窝夹芯简化模型进行传热分析。通过实验表明双蜂窝夹芯对流冷却结构有效阻隔了热量向结构内层传递，具有良好的防热性能，且数值计算结果与实验测量结果高度吻合，数值算法准确有效。以热流管为模型，通过控制变量的方法，研究不同影响参数对对流冷却结构防热性能影响，得到不同结构参数及冷却工况条件下对流冷却面板防热性能的变化规律。

热防护；主动冷却；流固耦合；影响参数

0　引言

20世纪50年代，美国人提出了主动冷却热防护系统概念，NASA与美国海军都提出过不同的主动冷却方案。近些年，随着新材料与新技术的发展，推动了主动冷却结构微型化、轻量化革新[1]，主动冷却结构也逐渐在广泛的领域得以应用，如RLV(Reusable Launch Vehicle)表面热防护系统、大口径火炮身管冷却系统、超燃冲压发动机燃烧室壁板隔热结构等[2-4]。随着高超声速飞行器的发展，很多学者开展了有关主动冷却方案的研究。Rakow J F等研究了金属泡沫夹芯面板对流热防护系统的热屈曲问题，使用该结构能减小热防护结构外表面变形，并通过实验验证了数值模拟的正确性[5]。彭丽娜研究了基于耐高温材料的复合主动冷却结构的冷却效果，设计了相关实验装置，论证了基于该耐高温复合材料的主动冷却模式防热效果更佳[6]。张建进行了三维瞬态方形管流的热流固耦合数值模拟，得到温度场与应力分布规律[7]。李相旺给出了主动冷却结构热力响应近似分析方法，使用该方法计算了热载环境下结构的温度场与应力场[8]。目前大部分研究偏向于主动冷却结构热响应计算方法，而有关对流式主动冷却结构冷却性能影响因素的研究还比较少。因此，有必要对影响对流式主动冷却结构冷却性能的参数进行深入研究，了解性能参数对冷却效能的影响，为结构设计提供指导。

本文提出了基于RLV的双蜂窝夹芯主动冷却热防护方案，对该方案进行了数值计算与实验模拟，主要分析影响对流式主动冷却结构传热性能的参数。

1　对流换热结构传热机理

双蜂窝夹芯式主动冷却热防护方案涉及金属蜂窝和对流式主动冷却面板两部分的能量传递过程。金属蜂窝的导热是以热辐射为主，热传导为辅的混合式传热过程，关于金属蜂窝的热响应已有比较完善的研究结果，此处不再赘述。对流冷却面板在高温环境下通过冷却通道内的冷却工质带走热量的方式，将结构体温度控制在安全工作温度内。该过程包括面板结构的热传导、流体和固体界面的传热和管道内流体的流动与传热，是一个典型的流固耦合传热问题。

1.1固体传热分析

对流面板内部固体区域的导热过程是固体热传导的过程。这一过程遵循傅里叶定律。不考虑内热源影响，三维非稳态导热微分方程的形式为

(1)

式中ρ为密度；c为比热容；Ts为固体温度场函数；t为时间。

通过对三维导热方程的求解可得到对流冷却面板固体域的温度分布。

1.2流固耦合换热分析

对于通道内的流体，当温度较低的流体在外部力的驱动下进入对流换热管道时，可视作高温壁面对流体加热的过程，这是个伴随着能量交换的流动过程，该过程可用流场的基本控制方程——N-S方程概括。N-S方程自封闭，求解可得流场的温度分布与速度分布。

流固耦合传热问题是指在壁面处，固体热传导与流体热对流两种热交换模式的耦合。流体附面层中临近壁面的流体分子被吸附而处于静止状态，附面层中出现大速度梯度区，最终趋同于来流的速度值。在附面层内，固体壁面侧传递的热流在附面层低速区内通过热传导扩散，并不断被流体的流动而带到下游，以热对流的形式完成能量传递。可以说，固液两相间能量的耦合传递，主要是在近壁面流体附面层内实现，故对附面层区域的计算将直接影响结果的准确性。壁面处的换热问题受流体域与固体域2个计算域的结果影响，因此需要将2个场联合求解。壁面处的连续条件：

(2)

2　热防护系统方案及数值算法验证

本文研究以RLV为背景的主动冷却方案，提出了适用于RLV的金属——主动冷却混合热防护方案，设计了双蜂窝夹芯对流冷却结构，即上下2层为带蒙皮的金属蜂窝面板，夹层为含通道的对流冷却面板，如图1所示。

金属蜂窝结构具有质量轻，热阻大的优点，用以抵御RLV的外层热冲击，热载荷从上层蜂窝直接输入。结构的上下金属蜂窝面板尺寸相同，蜂窝单胞尺寸边长5 mm，壁厚0.04 mm，蜂窝高度为20 mm，蜂窝面板蒙皮厚度为1 mm，单个蜂窝板中蜂窝胞元为566个。

对流冷却面板以铣削工艺在金属基板上加工出6组S型对流通道，热量通过上蜂窝面板传递给中间的对流冷却面板，经过两相间能量交换后，可使内部结构的工作温度保持在一个安全的范围内。试验件选用2024铝合金进行加工，使用胶接工艺将各层结构粘连成型，具体尺寸如表1所示。

图1　双蜂窝夹芯对流冷却结构示意图

整体尺寸221×174×52金属蜂窝面板厚度21对流冷却面板厚度10通道截面尺寸3×3相邻通道中轴线间距9通道转折处距边线距离6

2.1数值计算

通常，通过式(2)联立流固2个计算域，迭代求解可分别求得流体与固体温度场。这涉及不同的2个求解器，需要先使用ABAQUS或ANSYS计算固体温度分布，再使用CFX计算流体域，每个物理场间独立求解，反复迭代，直至在耦合界面上结果收敛为止。本文使用在同一求解器中计算流固耦合传热问题的MFS(Multi-Field Solver-Single code coupling)数值方法[9]，使用流体计算软件CFX对流固耦合传热进行模拟。CFX中流体域的热传导通过能量输运方程来控制：

(3)

CFX中固体域的热传导使用对流方程来进行模拟：

(4)

由于涉及到含附面层的流场计算，工作量非常之大，需对试验件模型进行简化处理。对试验件模型选取1/6建模，上下金属蜂窝面板引入等效热导率概念，视作各向同性材料，通过对金属蜂窝单胞热响应的数值模拟，在温度载荷500K以下的低温段，金属蜂窝的等效热导率随温度变化影响不大，取等效热导率k=0.29W/(m·K)。流体计算域的网格质量非常重要，将直接影响计算结果的准确性，需对附面层处网格细化，简化模型如图2所示。

图2　简化模型示意图

加载边界条件：

(1)上壁面：温度边界条件，在 298～423K温度段内选择离散点进行稳态加载；

(2)下壁面：对流边界条件，室内空气自然对流为6W/(m2·K)；

(3)左右壁面：对称边界条件；

(4)管道入口：入口边界条件，流速0.2m/s，静温Tf=293K；

(5)管道出口：出口边界条件，参考压力选择平均静压为0Pa；

(6)交界面：界面连续条件，能量交换为保守热流密度。

对简化计算模型施加上述边界条件及加载条件，采用MFS数值方法进行计算，由结构到达稳态后的计算结果发现对流式主动冷却结构具有很好的防热性能，对流冷却面板有效阻隔了热量向结构内层传递，在管道处进行了强烈的能量交换，由冷却工质带走了外表面传递的大量热量。通过对流冷却面板后结构温度趋于稳定，保证了内部材料的有效力学性能。

2.2实验方案与验证

本文采用稳态测量的实验方法和相关实验装置来进行双蜂窝夹芯对流冷却热防护系统防热性能的研究。实验方案实施方法如图3(a)所示。

(a)实验方案

(b)部分实验装置

实验中使用恒温加热台模拟温度载荷边界条件，加热端最高温度载荷150 ℃。使用热导率为0.09W/(m·K)的耐高温陶瓷纤维毯作为隔热材料，模拟数值计算中的绝热边界。使用循环水作为对流冷却面板的冷却工质，由6个32W微型潜水泵驱动，使用热电偶温度采集装置进行数据采集。实验分别提取对实验件加载至48、71、96、125、147 ℃并达到稳态后下蜂窝面板输出温度平均值与数值计算结果分析比对。考虑到实验件尺寸效应影响，由热电偶7、8、9所测量温度平均值表征下蜂窝面板输出温度。如图4所示，数值计算结果与实验结果吻合较好，证明数值计算实施方法的选用正确，后文的数值分析可建立在此MFS方法上进行。

需指出，极端高温气动加热条件难以通过实验模拟，本文实验所模拟的热载荷环境并非RLV表面热防护系统真实载荷环境，旨在论证热防护系统方案的可行性与数值算法的正确性。

图4　下蜂窝面板输出温度实验值与计算值对比

3　对流冷却结构影响参数分析

在确定MFS数值方法计算的正确性后，针对以钛合金为材料的RLV对流冷却结构进行分析，主要研究对流冷却结构传热性能的影响参数。计算模型不再考虑金属蜂窝面板及对流冷却通道的形状等因素，截取单一热流管模型进行分析。材料热物性参数及热流管初始模型几何尺寸如表2所示。采用控制变量法，在相同载荷环境条件下，逐次改变结构几何参数或冷却工况，通过数值模拟，求解热流管结构下表面温度及输出热流密度，研究不同参变量之间的关系及对结构冷却性能的影响。

表2　热流管材料属性与结构参数

为模拟对流换热面板在外部气动热载荷下的承载情况，将上壁面设定为热流边界条件，下壁面为对流换热条件，管道内选取水作为冷却工质，与管道壁面进行热量的交换。

加载边界条件：

(1)上壁面：热流密度边界条件，当结构外表面加热达到1 800 ℃时[10-11]，通过数值计算得到金属蜂窝单胞向下输出热流密度q=500 kW/m2；

(2) 下壁面：对流边界条件，查阅相关资料，航天器结构内空气对流换热系数h=0.889 1 W/(m2·K)；

(3) 左右壁面：对称边界条件；

(4) 管道入口：入口边界条件，流速5 m/s，静温Tf=293 K

其余边界条件与2.1节中一致。

3.1结构参数对热流管冷却性能的影响

考虑热流管结构参数如：通道形状、通道面积，通过控制单一变量，观察下表面热流密度与平均温度的变化规律，见表3。

保持通道面积为9 mm2而其余工况不变时，分别选用方形与圆形两种通道形状，由表3可看出方形通道较圆形通道可获得更低的下表面热流密度及平均温度，这是由于等截面积下方形管道较圆形管道有更大的内壁面积，有利于热量在固体与液体之间的交换。

对于方形通道，在其余工况条件不变条件下，增大通道截面积，由表3可看出，随通道面积的逐渐增大，下表面输出热流密度及平均温度逐渐降低。这实际上是由于在冷却剂流速不变的前提下通道截面积的增大导致了冷却剂通量的增大，冷却工况发生了变化。冷却剂通量的增大会提高对流冷却结构的冷却性能。

表3　通道形状及面积对热流管传热性能的影响

3.2冷却工况对热流管传热性能的影响

考虑冷却工质的不同工况对热流管冷却性能的影响，分别讨论冷却剂等通量与不等通量影响下，下表面热流密度与平均温度的变化规律。

保持冷却剂单位时间的通量Q=A·V不变，改变冷却通道截面积与流速的双变量组合情况，观察结构温度响应变化，结果如表4所示。在冷却剂通量相等的情况下，冷却剂流速越慢(也即冷却通道截面积越大)对流冷却结构冷却性能越好。这是由于冷却剂与固壁面的热量交换需要一定的时间，适当的降低流速可更好地发挥冷却剂的冷却效能，但当流速降低到一个程度后，由于冷却剂冷却效能趋于饱和，故对流冷却结构冷却性能也将达到一个定值。

以控制冷却剂流速的方式来改变冷却剂的通量，如表5所示，当通道截面积一定时，逐渐增大冷却剂流速，随其通量增大，热流管的输出热流密度及平均温度均呈下降趋势，因此通量的增大可增强提高对流冷却结构的冷却性能，这与3.1节中通道面积对热流管传热性能的影响结论一致。

表4　等通量时组合参数对热流管传热性能的影响

表5　冷却剂通量对热流管传热性能的影响

4　结论

(1)设计了金属蜂窝——对流冷却面板混合式热防护系统，分别分析了两部分结构的传热机理。开展实验验证了热防护系统的有效性，实验结果与MFS算法数值分析结果高度吻合，表明数值分析方法准确有效；双蜂窝夹芯式主动冷却结构具有很强的冷却能力，满足RLV对热防护系统能力的需求。

(2)对对流冷却结构影响参数进行了重点研究，讨论了不同结构参数、不同工况对热流管冷却性能的影响。通过研究发现，调整结构参数使对流管道获得更大的热交换面积；改变工况，增大冷却剂的通量均可以提高对流冷却结构的热防护能力。这一结论可为对流式主动冷却热防护结构的设计提供理论依据，也为结构的优化设计提供了基础。

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(编辑：吕耀辉)

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，硕士生，研究方向为飞行器热结构分析与设计 。E-mail:yipho007486@sina.com

V438

A

1006-2793(2016)01-0090-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.01.016