对流冷却结构主动热防护效率参数影响规律研究

谢亮 张新霞

摘 要：主动冷却是高超声速飞行器最主要的冷却方式，文章探讨了对流冷却结构主动热防护效率参数影响规律，为高超声速飞行器放热结构设计提供指导。

关键词：对流冷却结构；主动热防护；效率参数；影响；规律

中图分类号：V435+.14 文献标志码：A 文章编号：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

高超声速飞行器飞行时会有严重的气动加热，机体前端、翼前缘等驻点区域是关键设计位置。因此在高超声速条件下设计飞行器的热防護结构显得极为重要。飞行器的冷却系统包括三种：被动冷却，半被动冷却和主动冷却。主动冷却系统能够在不改变飞行器气动外形的条件下长时间工作，满足了高超声速飞行器高速巡航条件下的热防护要求，其方式包括发汗冷却，薄膜冷却和对流冷却三种。发汗冷却和薄膜冷却都可以提供一定的冷却效果，但是可靠性不高。对流冷却是在飞行器蒙皮结构下布置冷却通道和管路，将燃料（或冷却液）作为冷却剂在其中循环流动，飞行器表面气动加热所产生的热量，通过蒙皮直接或间接传给流过的冷却剂，以实现对飞行器的热防护。

本文基于工程气动热算法进行气动热计算。

2 冷却结构

冷却结构如图1（a）所示。计算时做简化处理，见图1（b），只选择翼前缘的关键部分，其尺寸见图2，通道轴心距离上表面为c。

3 计算方法及过程

内部管道采用工程管流算法，通过入口温度，壁面温度等参数计算出对流换热参数，具体计算过程如下所述。

对流传热系数h表示为下式[1]：

式中：d为管道直径；ρ为流体密度；λ为热导率；ν为运动粘度；Pr为普朗特数。

流体出口温度T1：

式中：cp为流体比热；T0为入口温度，W为壁面平均温度。

在分析冷却效果时，温度是极为重要的一个参考。对某处温度进行无量纲化，采用冷却参数来表征：

（3）

式中，Tw为无冷却时某处的温度，Tcw为有冷却时相应位置的温度，其物理意义表征了在外部气动加热和内部冷却的综合作用下节点温度下降的大小。可见η<1，且η值越大，冷却效果越好。

计算区域划分示意图见图3，假设将管道划分为5段，第一段冷却水入口温度T0，出口温度T1，壁面平均温度Tw1，对流冷却系数h1；第二段冷却水入口为T1，出口温度为T2，壁面平均温度为Tw2，对流冷却系数为h2，以此类推。

边界条件按如下方式给出：各管道内有冷却水通过，存在对流边界条件，上表面有热流输入，其余面为绝热条件。

采用MSC Patran自带的PCL语言编写PCL的文本文件，文件内包含几何、有限元网格、材料、热流/对流边界条件等信息；其次利用MSC Patran生成可直接进行计算的有限元模型，并最终形成BDF文件，并利用NASTRAN进行初次计算，生成带有计算结果的F06文件；再次，使用VB.net软件编程提取F06文件中的各节点的温度数据，并利用公式（1）、（2）分别计算每段对流换热系数及入口温度，将计算结果写入新的BDF文件中，通过VB.net调用NASTRAN进行计算，并重复该步骤，直至计算结束；最后，利用VB.net提取F06文件中的各节点的温度数据，并将节点温度输出为文本文件进行保存。

对于多种工况的计算，需模型改动则调整PCL文件中相应的变量，如管道位置等信息，再次按照上述步骤，重新运行程序并生成计算结果。从而获取不同条件下，各节点随时间变化的温度数据。

4 冷却结构参数及材料性能对冷却效果的影响

4.1 结构尺寸对冷却效果的影响

在边界条件确定的情况下，研究管道距离受热面的距离对冷却参数的影响。图4给出了冷却参数随管道位置c的变化。从图中可知，随着c变大，冷却参数越来越小，即冷却管道离受热面越远，冷却效果越差。

4.2 冷却剂流量对冷却效果的影响

在冷却管道位置确定时，给出了冷却剂流量（质量流量）对冷却效果的影响，如图5所示。从图中可知，冷却剂流量越大，冷却参数η越大，冷却效果越好。

4.3 接触热阻对冷却效果的影响

在主体结构与管道间建立接触热阻，通过赋予不同的接触热阻值，考核在不同接触热阻条件下冷却参数的变化，结果如图6所示。从图中可知，接触热阻越大，冷却参数η越小，冷却效果越差。

5 结束语

本文研究了给定热流条件下，给定模型中圆管位置、冷却剂流量、接触热阻等参数对主动热防护效率参数的影响规律，结果表明：越靠近受热面，冷却剂流量越大，接触热阻越小，冷却效果越好。本研究结果可以为对流主动冷却结构设计提供参考。

参考文献：

[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006：243-252.