基于FLUENT的红外窗口主动冷却装置数值模拟分析

杨　祺，张文瑞，于锟锟

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州　730000）

基于FLUENT的红外窗口主动冷却装置数值模拟分析

杨祺，张文瑞，于锟锟

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

处于气动加热环境下的红外窗口，由于强热流影响会导致窗口材料外形和光学性质发生变化，严重影响光学窗口的正常工作。以红外成像在高超声速飞行器上的应用为需求背景，针对气动加热条件下红外窗口的传热特性，建立红外窗口三维非稳态传热计算模型，利用FLUENT软件对红外窗口采用主动冷却与被动热防护效果进行了数值模拟，验证了主动冷却技术在红外窗口温度控制的可行性，并对所需的冷量进行了计算，给出了典型状态下的计算结果。

热防护；气动加热；红外窗口；数值模拟

0　引言

红外窗口是红外自动寻的导弹等高超声速飞行器的重要部件，飞行期间要经受较严重的气动加热［1］。在飞行高度为10 km，飞行速度4马赫的情况下，弹体头部驻点的温度将达到930 K左右。气动加热产生的高温和窗口附近复杂的大气环境会对红外成像导引头的末制导系统产生严重的热干扰［2］，造成导引头成像模糊、抖动，甚至会导致目标信号被红外窗口的热辐射所淹没，为保证光学窗口正常工作并提高其工作能力，需采用一种能实现光学窗口冷却的高效稳定的冷却技术。

热防护系统（TPS）［3］是保证高超声速飞行器安全、快捷飞行的关键技术之一。热防护系统一般位于飞行器外部，是保护内部结构或者其它子系统温度在使用的温度范围，同时承载一定力学载荷的结构系统。热防护系统的功能主要是保护飞行器内部结构和有效载荷的温度不要超过设计使用温度。

高超声速飞行器的热防护系统主要分为主动热防护系统、半主动热防护系统以及被动热防护系统三大类。在被动热防护方案中，热量由飞行器表面辐射出去或被吸收，不需要工作流体（工质）来排除。半主动热防护系统介于被动和主动冷却方案之间，大部分的热量靠工作流体或空气流带走。主动冷却热防护系统采用特殊防热结构和材料，利用冷却工质（固态、液态、气态）阻止或带走气动热，尽可能降低气动加热对飞行器的影响，保护内部结构和其他系统的温度不超过设定温度。

1　主动冷却与被动热防护技术原理

1.1工作原理

主动冷却与被动热防护技术原理如图1所示，使用隔热结构阻隔来自于外部高速气流的热量，在隔热结构升温过程中，热防护系统采用相变制冷原理，使存贮在飞行器中的制冷工质经换热器相变后作用于被冷却窗口，冷却红外窗口及附近结构。

图1　热防护系统原理图

1.2相变制冷原理［4-5］

利用制冷剂本身的饱和蒸气压作为系统工作动力，不需要配置额外的压力源。经过节流组件节流后的制冷剂进入窗口周围换热器，在换热器中相变蒸发吸热，产生冷量实现红外窗口降温控温。原理图如图2所示。

图2　开式节流制冷原理图

2　光学窗口传热模型的建立

2.1计算模型

针对红外窗口在某典型飞行器弹道条件下，气动加热时的受热情况，对采取基于相变制冷的主动冷却及被动隔热防护措施时所需的冷量进行了计算。采用CFD/NHT商用软件ANSYS13.0-FLUENT进行计算。非稳态项采用二阶隐式格式，时间步长为0.1 s，每时间步长迭代次数为20次。计算使用的三维物理模型如图3所示。

图3　计算模型结构剖面图

控制方程为：

其中：keff为有效导热率（k+keff，kf为湍流引致的导热率，由模型中使用的湍流模型确定）；为组分j的扩散通量。式（1）右边的前三项分别表示由于热传导、组分扩散、粘性耗散而引起的能量转移。Sh包含化学反应放（吸）热以及任何其他的由用户定义的体积热源式（2）：

其中：显焓h的定义（对理想气体）为式（3）：

对不可压流体：

式（2）、（3）中Yj为组分 j的质量分数：

其中：Tref为298.15 K。

2.2网格划分

采用gambit软件对网格进行了划分。为了生成高质量计算网格，模型网格生成采用分块结构化网格生成技术，为了准确计算温度场，在计算域中的网格进行了局部加密，以满足其要求。网格数约为500 W，通过与多种网格数的计算结果对比，已验证计算结果是网格无关解。

2.3边界条件设定

建立三维数学模型，模拟红外窗口气动加热条件下保证窗口温度在一定范围内所需冷量。计算中选用SiO为窗口材料［6］，隔热结构选用气凝胶，加热面采用某典型气动加热边界条件，非加热面采用对流冷却边界条件，舱内流体温度为333 K，对流换热系数取为30 W/（m2·K），光学窗口初始温度293 K，不考虑环境辐射影响，计算中用到的材料物性如表1所列。

表1　计算所需物性参数

3　计算结果及分析

3.1无冷却条件下传热计算

在无冷却条件下对红外窗口1 000 s内的传热进行了计算。无冷却时，模型温度分布云图及红外窗口温度如图4、图5所示，从图中可以看出，随着时间的推移，窗口温度迅速升高，在1 000 s后，窗口温度达到430 K左右。由图4可以看出，由于结构原因，窗口温度分布不均匀。

图4　无冷却条件下窗口模型温度分布云图

图5　无冷却条件下红外玻璃窗口温度曲线图

3.2冷量为250 W条件下的传热计算

通过主动冷却方式对窗口施加250 W的冷量后，根据模型进行计算，得到非稳态热流传导特性的结果，如图6、图7所示。

图7　250 W冷量冷却下红外窗口温度曲线图

从图7中可以看出，对冷却结构施加250 W冷量后，在前200 s内，窗口温度上升平缓，甚至有下降趋势，到200 s后，窗口温度逐渐升高，1 000 s后，窗口平均温度约为370 K，可见施加冷量后，窗口的温度得到了明显的控制。从图6中可以看出，被冷却后的窗口温度分布均匀性得到了很大提升。

3.3冷量为500 W条件下的传热计算

图8、图9为对冷却结构施加500 W冷量时，红外窗口的温度分布云图及升温曲线。从图中可以看出，红外窗口的温度出现两个拐点，在约220 s后温度缓慢上升，最终1 000 s后红外窗口的温度被控制在335 K左右。窗口的温度分布均匀性比250 W冷量时得到进一步改善。

图8　500 W冷量冷却下窗口模型温度分布云图

图9　500 W冷量冷却下红外窗口温度曲线图

3.4热模拟分析结果

在无冷却、加冷量分别为250 W、500 W的条件下，1 000 s内红外窗口平均温度曲线对比图如10所示。

图10　三种条件下1 000 s内红外窗口平均温度对比图

从图10中可以看出，通过主动冷却装置给红外窗口施加冷源后，窗口的温度得到了有效的控制，相较于无冷源和250 W冷源的情况，在1 000 s内，施加500 W冷源时窗口温度上升趋势较为平缓，窗口平均温度满足要求，窗口温度均匀性好。

4　结论

通过主动冷却与被动热防护相结合，在1 000 s内，对窗口区域施加500 W的冷量可将红外窗口的温度控制在要求的范围内。

［1］耿湘人，桂业伟，贺立新，等，红外窗口不同冷却方式下的结构传热和热应力特性计算研究［J］.空气动力学学报，2008.26（3）：329-333.

［2］范志刚，张亚萍，裴扬威.气动热环境下高速飞行器光学窗口光传输数值仿真研究［J］.红外与毫米波学报，2007，26（5）：396-400.

［3］刘双.高超声速飞行器热防护系统主动冷却机制与效能评估［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

［4］陈正刚，王小军，朱恩宝，等.开放式制冷系统与应用前景分析［J］.真空与低温，2011，17（z1）：622-625.

［5］唐小伟.开式节流制冷技术在局部环境温度控制中的应用研究［J］.真空与低温，2010，16（4）：223-226.

［6］李东辉，夏新林，艾青.气动加热下光学窗口传热特性的数值模拟［J］.宇航材料工艺，2012（2）：30-33.

NUMERICAL SIMULATION ON INITIATIVE COOLING OF OPTICAL WINDOWS BASED ON FLUENT

YANG Qi，ZHANG Wen-rui，YU Kun-kun
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，LanZhou730000，China）

In the aero-dynamic environment，optical windows shape and optical property will be changed because of high heat flow，then the employment of the transmission of optical windows will be effected.According to the requirement of IR imaging technique applied in hypersonic aircraft，the heat transfer characteristic in optical windows under aerodynamic heating were studied and the three dimensions unsteady state heat conduction equations in unstructured were established.The effect of initiative cooling and passive heat insulation thermal protection technology were calculated with the engineering prediction software-Fluent.The feasibility of initiative cooling technology on temperature control of optical windows were validated.The capacity were caculate and some computer simulation results at classical state were presented.

thermal protection；aerodynamic heating；Optical Windows；Numerical Simulation

TB657

A

1006-7086（2015）02-0092-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.02.007

2014-08-26

真空低温技术与物理重点实验室基金项目（9140C550211120C5501）

杨祺（1983-），女，甘肃省兰州人，硕士，从事低温制冷方面的研究。E-mail：qiqi94520@126.com。