超聲速主流條件發(fā)汗冷卻的流動(dòng)和傳熱機(jī)理研究

超聲速主流條件發(fā)汗冷卻的流動(dòng)和傳熱機(jī)理研究一、本文概述隨著現(xiàn)代航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，高超聲速飛行器已成為研究的熱點(diǎn)。在追求更高飛行速度的所面臨的熱防護(hù)問(wèn)題也日益突出。發(fā)汗冷卻技術(shù)作為一種有效的熱防護(hù)手段，在高超聲速飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)超聲速主流條件下發(fā)汗冷卻的流動(dòng)和傳熱機(jī)理進(jìn)行深入研究，對(duì)于提高飛行器的熱防護(hù)性能、推動(dòng)高超聲速飛行器技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本文旨在探討超聲速主流條件下發(fā)汗冷卻的流動(dòng)和傳熱機(jī)理。將介紹發(fā)汗冷卻技術(shù)的基本原理及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用背景。將重點(diǎn)分析超聲速主流條件下發(fā)汗冷卻的流動(dòng)特性，包括主流與冷卻劑之間的相互作用、冷卻劑在壁面上的擴(kuò)散與蒸發(fā)等過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討發(fā)汗冷卻過(guò)程中的傳熱機(jī)理，包括熱傳遞方式、熱阻分布以及熱量在主流與冷卻劑之間的傳遞規(guī)律。將總結(jié)研究成果，提出優(yōu)化發(fā)汗冷卻效果的建議，為高超聲速飛行器的熱防護(hù)設(shè)計(jì)提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。通過(guò)本文的研究，期望能夠更深入地理解超聲速主流條件下發(fā)汗冷卻的流動(dòng)和傳熱機(jī)理，為未來(lái)的高超聲速飛行器熱防護(hù)技術(shù)提供新的思路和方法。也希望本文的研究成果能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的研究人員提供有價(jià)值的參考和借鑒。二、超聲速主流條件下發(fā)汗冷卻的基本原理發(fā)汗冷卻，也稱為透壁冷卻，是一種先進(jìn)的冷卻技術(shù)，特別適用于高超聲速飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)。其基本原理是，在固體壁面內(nèi)部布置有大量的微小通道，通過(guò)這些通道向壁面外部噴射冷卻劑，這些冷卻劑在主流高溫氣體的作用下迅速蒸發(fā)，吸收大量的熱量，從而實(shí)現(xiàn)壁面的有效冷卻。在超聲速主流條件下，發(fā)汗冷卻的效果尤為顯著。當(dāng)主流氣體的速度接近或超過(guò)聲速時(shí)，其流動(dòng)特性變得極為復(fù)雜，激波、邊界層分離等現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致壁面承受的熱流密度顯著增加。此時(shí)，傳統(tǒng)的對(duì)流冷卻和輻射冷卻方法往往難以滿足冷卻需求，而發(fā)汗冷卻則能夠有效地應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。在發(fā)汗冷卻過(guò)程中，冷卻劑的噴射對(duì)主流氣體的流動(dòng)產(chǎn)生了顯著的影響。一方面，噴射出的冷卻劑在主流中形成了局部的低溫區(qū)域，這些低溫區(qū)域能夠有效地吸收主流中的熱量，降低壁面溫度。另一方面，冷卻劑的噴射還改變了主流氣體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，使得壁面附近的流動(dòng)變得更為復(fù)雜，有利于熱量的擴(kuò)散和傳遞。發(fā)汗冷卻還涉及到多種傳熱機(jī)理的協(xié)同作用。首先是熱傳導(dǎo)，冷卻劑通過(guò)微小通道直接接觸到壁面，將壁面內(nèi)部的熱量迅速傳遞出去。其次是熱對(duì)流，當(dāng)冷卻劑噴射到主流中時(shí)，與主流氣體發(fā)生強(qiáng)烈的對(duì)流換熱，進(jìn)一步帶走熱量。最后是熱輻射，壁面在高溫下會(huì)發(fā)出輻射熱，這部分熱量也可以通過(guò)輻射的方式傳遞到外部空間中。超聲速主流條件下的發(fā)汗冷卻是一種高效、復(fù)雜的熱防護(hù)技術(shù)。它通過(guò)微小通道噴射冷卻劑，利用蒸發(fā)吸熱、流動(dòng)結(jié)構(gòu)改變以及多種傳熱機(jī)理的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)壁面的有效冷卻。在未來(lái)的高超聲速飛行器設(shè)計(jì)中，發(fā)汗冷卻技術(shù)有望發(fā)揮更加重要的作用。三、超聲速主流條件發(fā)汗冷卻的流動(dòng)特性在超聲速流動(dòng)條件下，發(fā)汗冷卻的流動(dòng)特性呈現(xiàn)出獨(dú)特的物理現(xiàn)象和復(fù)雜的機(jī)理。發(fā)汗冷卻通過(guò)在固體壁面上引入冷卻劑，使其在高溫環(huán)境下汽化吸熱，從而達(dá)到降低壁面溫度的目的。在超聲速主流中，冷卻劑的引入會(huì)對(duì)主流流動(dòng)產(chǎn)生顯著影響，這種影響不僅涉及到流動(dòng)結(jié)構(gòu)的改變，還包括傳熱特性的變化。冷卻劑的引入會(huì)在主流中形成一個(gè)額外的流動(dòng)通道，即冷卻劑通道。這個(gè)通道的存在會(huì)改變主流的速度分布和壓力分布，從而影響到主流的穩(wěn)定性。特別是在高超聲速條件下，主流的壓縮性效應(yīng)使得流動(dòng)變得更為復(fù)雜，冷卻劑通道的引入可能會(huì)引發(fā)激波結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)一步影響到主流的傳熱特性。發(fā)汗冷卻的流動(dòng)特性還受到冷卻劑物理性質(zhì)的影響。冷卻劑的種類、流量、溫度等參數(shù)都會(huì)對(duì)主流流動(dòng)產(chǎn)生影響。例如，冷卻劑的流量越大，其在主流中所占的比例就越大，對(duì)主流流動(dòng)的影響也就越顯著。同時(shí)，冷卻劑的物理性質(zhì)如密度、粘度等也會(huì)對(duì)主流的傳熱特性產(chǎn)生影響。發(fā)汗冷卻的流動(dòng)特性還受到壁面條件的影響。壁面的粗糙度、溫度分布等都會(huì)對(duì)冷卻劑的分布和流動(dòng)特性產(chǎn)生影響。特別是在高超聲速條件下，壁面的溫度分布可能會(huì)引發(fā)熱化學(xué)非平衡效應(yīng)，進(jìn)一步影響到主流的流動(dòng)和傳熱特性。為了深入研究超聲速主流條件發(fā)汗冷卻的流動(dòng)特性，需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。數(shù)學(xué)模型可以用來(lái)描述主流和冷卻劑之間的相互作用，預(yù)測(cè)流動(dòng)和傳熱特性的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則可以用來(lái)驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，并揭示實(shí)際流動(dòng)中可能存在的復(fù)雜現(xiàn)象和機(jī)理。超聲速主流條件發(fā)汗冷卻的流動(dòng)特性是一個(gè)復(fù)雜而重要的問(wèn)題。通過(guò)深入研究其物理現(xiàn)象和機(jī)理，可以為高性能飛行器的熱防護(hù)設(shè)計(jì)提供重要的理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。四、超聲速主流條件發(fā)汗冷卻的傳熱機(jī)理在超聲速流動(dòng)中，發(fā)汗冷卻作為一種高效的熱防護(hù)技術(shù)，其傳熱機(jī)理的研究至關(guān)重要。發(fā)汗冷卻通過(guò)在固體表面形成一層低溫的冷卻劑薄膜，利用蒸發(fā)潛熱吸收固體表面的熱量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫部件的有效冷卻。在超聲速主流條件下，發(fā)汗冷卻的傳熱過(guò)程涉及復(fù)雜的物理和化學(xué)現(xiàn)象。冷卻劑在固體表面形成一層薄膜，這個(gè)過(guò)程受到多種因素的影響，包括冷卻劑的物理性質(zhì)（如粘度、表面張力等）、超聲速主流的速度和溫度、以及固體表面的粗糙度等。這些因素共同決定了冷卻劑薄膜的形成速度和穩(wěn)定性。在超聲速主流的作用下，冷卻劑薄膜會(huì)發(fā)生變形和破裂，形成一系列的液滴或液絲。這些液滴或液絲在主流中受到氣動(dòng)力、熱力和表面張力的共同作用，形成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡。這些運(yùn)動(dòng)軌跡不僅影響冷卻劑的分布和蒸發(fā)速度，還會(huì)影響主流與固體表面之間的傳熱過(guò)程。冷卻劑的蒸發(fā)是發(fā)汗冷卻過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在超聲速主流條件下，由于主流的高速度和低壓力，冷卻劑的蒸發(fā)速度會(huì)大大增加。蒸發(fā)過(guò)程中吸收的熱量會(huì)有效降低固體表面的溫度，從而實(shí)現(xiàn)冷卻效果。蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽會(huì)進(jìn)一步與主流進(jìn)行熱交換和混合，對(duì)主流的流動(dòng)和傳熱過(guò)程產(chǎn)生影響。超聲速主流條件發(fā)汗冷卻的傳熱機(jī)理涉及冷卻劑薄膜的形成、變形和破裂、液滴或液絲的運(yùn)動(dòng)軌跡以及冷卻劑的蒸發(fā)等多個(gè)環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)之間相互影響、相互作用，共同決定了發(fā)汗冷卻在超聲速流動(dòng)中的傳熱效果。深入研究這些機(jī)理有助于優(yōu)化發(fā)汗冷卻技術(shù)，提高其在高溫部件熱防護(hù)中的應(yīng)用效果。五、實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬本研究采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入探討了超聲速主流條件下發(fā)汗冷卻的流動(dòng)和傳熱機(jī)理。實(shí)驗(yàn)在專門(mén)的超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞能夠模擬高馬赫數(shù)、高焓值的飛行條件。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎冒l(fā)汗冷卻的典型構(gòu)型，包括冷卻通道、發(fā)汗材料以及熱防護(hù)層。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)精確控制主流速度和溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻通道的流量以及表面溫度分布，從而獲取發(fā)汗冷卻在不同超聲速條件下的實(shí)際表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在超聲速主流中，發(fā)汗冷卻的有效性受到多種因素的影響，包括主流速度、主流溫度、冷卻劑的種類和流量等。發(fā)汗材料的物理和化學(xué)性質(zhì)也對(duì)冷卻效果有重要影響。為了更深入地理解發(fā)汗冷卻的流動(dòng)和傳熱機(jī)理，本研究還進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬。數(shù)值模擬采用流體動(dòng)力學(xué)和傳熱學(xué)的高級(jí)算法，對(duì)超聲速主流中的發(fā)汗冷卻過(guò)程進(jìn)行了三維、非定常、耦合計(jì)算。模擬過(guò)程中，綜合考慮了流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等多個(gè)物理過(guò)程，以及材料屬性、邊界條件、初始條件等多種因素。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性得到了確認(rèn)。數(shù)值模擬的結(jié)果不僅為實(shí)驗(yàn)提供了有益的補(bǔ)充，而且揭示了實(shí)驗(yàn)難以觀察到的細(xì)節(jié)和現(xiàn)象。例如，數(shù)值模擬能夠捕捉到冷卻劑在主流中的擴(kuò)散和蒸發(fā)過(guò)程，以及這些過(guò)程對(duì)傳熱和流動(dòng)的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的綜合分析，本研究對(duì)超聲速主流條件下的發(fā)汗冷卻機(jī)理有了更深入的理解。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)汗冷卻在超聲速主流中能夠有效降低表面溫度，提高熱防護(hù)性能。其冷卻效果受到多種因素的共同影響，需要綜合考慮各種因素以優(yōu)化冷卻效果。本研究還發(fā)現(xiàn)，發(fā)汗冷卻的效果與冷卻劑的種類和流量密切相關(guān)。在未來(lái)的研究中，可以嘗試使用不同類型的冷卻劑，以及優(yōu)化冷卻劑的流量分配，以進(jìn)一步提高發(fā)汗冷卻的性能。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)超聲速主流條件下的發(fā)汗冷卻機(jī)理進(jìn)行了深入探討。這些研究結(jié)果為優(yōu)化發(fā)汗冷卻設(shè)計(jì)、提高熱防護(hù)性能提供了有益的參考。六、超聲速主流條件發(fā)汗冷卻的優(yōu)化設(shè)計(jì)超聲速主流條件下的發(fā)汗冷卻技術(shù)，作為一種高效的熱防護(hù)手段，在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際應(yīng)用中，如何優(yōu)化發(fā)汗冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以提高其冷卻效果，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。本章節(jié)將重點(diǎn)探討超聲速主流條件下發(fā)汗冷卻的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。優(yōu)化設(shè)計(jì)需要綜合考慮多個(gè)因素，包括冷卻劑的種類和供應(yīng)方式、冷卻孔的布局和尺寸、主流速度和溫度等。這些因素之間相互影響，共同決定了發(fā)汗冷卻的效果。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要建立一個(gè)綜合評(píng)估模型，全面考慮各種因素的影響。針對(duì)冷卻劑的種類和供應(yīng)方式，可以通過(guò)對(duì)比分析不同冷卻劑的物理和化學(xué)性質(zhì)，選擇最適合的冷卻劑。同時(shí)，優(yōu)化冷卻劑的供應(yīng)方式，如采用噴射式供應(yīng)，可以提高冷卻劑的分布均勻性和利用率。在冷卻孔的布局和尺寸方面，可以通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，探究冷卻孔的最佳布局和尺寸。例如，通過(guò)改變冷卻孔的位置、數(shù)量和直徑，觀察其對(duì)冷卻效果的影響，從而確定最優(yōu)的布局和尺寸。主流速度和溫度也是影響發(fā)汗冷卻效果的重要因素。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮主流速度和溫度的變化范圍，以及其對(duì)冷卻效果的影響。通過(guò)調(diào)整主流速度和溫度，可以進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)汗冷卻的效果。優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)迭代的過(guò)程，需要不斷地進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析，以逐步改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。還需要考慮實(shí)際應(yīng)用的可行性和經(jīng)濟(jì)性，確保優(yōu)化后的發(fā)汗冷卻系統(tǒng)既具有良好的冷卻效果，又具備實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。超聲速主流條件下發(fā)汗冷卻的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而關(guān)鍵的問(wèn)題。通過(guò)綜合考慮各種因素，建立綜合評(píng)估模型，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，可以逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高發(fā)汗冷卻的效果和應(yīng)用價(jià)值。七、結(jié)論與展望本研究圍繞超聲速主流條件下的發(fā)汗冷卻技術(shù)，深入探討了其流動(dòng)與傳熱機(jī)理。通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，得到了在超聲速流場(chǎng)中，發(fā)汗冷卻對(duì)壁面溫度與熱流密度分布的影響規(guī)律，揭示了發(fā)汗冷卻在高速飛行環(huán)境中的重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)汗冷卻能夠有效降低壁面溫度，提高熱防護(hù)性能，同時(shí)，其傳熱特性受多種因素影響，包括主流速度、冷卻劑噴射方式、冷卻劑流量等。盡管本研究在超聲速主流條件下的發(fā)汗冷卻技術(shù)方面取得了一定的成果，但仍有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步探討。未來(lái)，我們將從以下幾個(gè)方面開(kāi)展深入研究：優(yōu)化發(fā)汗冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高冷卻效率。通過(guò)改進(jìn)冷卻劑噴射孔的布局、形狀和大小，以及優(yōu)化冷卻劑流量分配，實(shí)現(xiàn)更高效的熱防護(hù)。發(fā)展新型發(fā)汗冷卻材料，提高熱穩(wěn)定性和耐久性。研究具有更高熱導(dǎo)率、更低熱膨脹系數(shù)的材料，以滿足長(zhǎng)期、高速飛行條件下的熱防護(hù)需求。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量壁面溫度、熱流密度等關(guān)鍵參數(shù)，為數(shù)值模擬提供驗(yàn)證依據(jù)，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度。拓展發(fā)汗冷卻技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。將發(fā)汗冷卻技術(shù)應(yīng)用于其他高溫、高速環(huán)境，如高超音速飛行器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的科技進(jìn)步。超聲速主流條件下的發(fā)汗冷卻技術(shù)具有重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。通過(guò)不斷深入研究，我們有望為高速飛行器的熱防護(hù)提供更為有效、可靠的解決方案。參考資料：隨著航空航天、高速鐵路等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對(duì)超音速設(shè)備冷卻技術(shù)提出了更高的要求。發(fā)汗冷卻作為一種有效的被動(dòng)式冷卻技術(shù)，在高溫、高速條件下具有良好的應(yīng)用前景。本文將重點(diǎn)探討超聲速主流條件下，發(fā)汗冷卻的流動(dòng)和傳熱機(jī)理。超音速主流條件下，設(shè)備會(huì)面臨極高的溫度和壓力，傳統(tǒng)的冷卻方法可能無(wú)法滿足需求。此時(shí)，發(fā)汗冷卻作為一種高效的被動(dòng)式冷卻技術(shù)，具有重要應(yīng)用價(jià)值。發(fā)汗冷卻主要通過(guò)材料表面的小孔或微槽結(jié)構(gòu)，在高溫下“發(fā)汗”排出熱量，從而達(dá)到冷卻效果。在超聲速主流條件下，發(fā)汗冷卻的流動(dòng)和傳熱機(jī)理主要涉及以下幾個(gè)方面：蒸發(fā)過(guò)程：在高溫下，表面小孔或微槽中的液體吸收熱量蒸發(fā)成為氣體，這個(gè)過(guò)程吸收大量熱量，有助于降低設(shè)備溫度。流動(dòng)特性：超音速流動(dòng)條件下，蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體在流動(dòng)過(guò)程中受到壓力和速度的影響，表現(xiàn)出復(fù)雜的流動(dòng)特性。這些流動(dòng)特性對(duì)傳熱效果有重要影響。傳熱機(jī)制：發(fā)汗冷卻的傳熱機(jī)制主要包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。在超音速流場(chǎng)中，這些機(jī)制的綜合作用決定了冷卻效果的好壞。為了深入了解超聲速主流條件下發(fā)汗冷卻的流動(dòng)和傳熱機(jī)理，我們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)和模擬研究：實(shí)驗(yàn)研究：通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段測(cè)量不同條件下蒸發(fā)速率、溫度分布等關(guān)鍵參數(shù)，為機(jī)理研究和模擬提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬：利用數(shù)值模擬方法對(duì)發(fā)汗冷卻過(guò)程進(jìn)行模擬，探究流動(dòng)和傳熱機(jī)制的內(nèi)在規(guī)律。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)超聲速主流條件下發(fā)汗冷卻的流動(dòng)和傳熱機(jī)理的研究，我們發(fā)現(xiàn)發(fā)汗冷卻技術(shù)在超音速流場(chǎng)中具有良好的冷卻效果。深入理解其流動(dòng)和傳熱機(jī)理有助于優(yōu)化冷卻性能，提高超音速設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。未來(lái)研究可針對(duì)超音速流場(chǎng)中發(fā)汗冷卻的動(dòng)態(tài)特性、多物理場(chǎng)耦合等方面展開(kāi)進(jìn)一步探討，為實(shí)際應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)?！冻紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)凹腔火焰穩(wěn)定器多孔發(fā)汗冷卻機(jī)理研究》是依托中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)，由丁猛擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的重大研究計(jì)劃。以未來(lái)高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用為背景，開(kāi)展超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)凹腔火焰穩(wěn)定器多孔發(fā)汗冷卻機(jī)理的深入研究。利用NPLS、PIV、高速激光紋影與PLIF等實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合高精度大渦模擬與傳熱相關(guān)理論分析，研究多孔發(fā)汗流對(duì)超聲速附面層流態(tài)、湍流大尺度結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理，分析附面層熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱特性；研究多孔發(fā)汗流與附面層分離流的相互作用，明確多孔發(fā)汗流對(duì)附面層分離與再附特性的影響；研究當(dāng)發(fā)汗冷卻介質(zhì)在附面層內(nèi)燃燒時(shí)附面層的燃燒流動(dòng)特征，分析其傳熱模式與特性，并建立物理模型，分析多孔發(fā)汗對(duì)凹腔流場(chǎng)和穩(wěn)焰性能的影響。該項(xiàng)研究將增進(jìn)對(duì)含多孔發(fā)汗流的附面層熱傳導(dǎo)、附面層對(duì)流傳熱、附面層剪切摩擦釋熱、附面層內(nèi)燃燒釋熱等多種傳熱過(guò)程與機(jī)理的理解，為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。本項(xiàng)目以凹腔火焰穩(wěn)定器發(fā)汗冷卻為研究對(duì)象，開(kāi)展了凹腔超聲速燃燒、發(fā)汗冷卻流動(dòng)、發(fā)汗冷卻對(duì)凹腔燃燒和穩(wěn)焰影響的試驗(yàn)和仿真研究。開(kāi)展了凹腔超聲速燃燒流動(dòng)特性的試驗(yàn)與數(shù)值仿真研究，在直連式試驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量火焰分布、PLIF和紋影等技術(shù)，獲得了凹腔燃燒與流動(dòng)的特征，并對(duì)凹腔的火焰穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)火焰始終駐留在凹腔后壁區(qū)域，凹腔內(nèi)大尺度回流將火焰由后向前運(yùn)輸?shù)角氨趨^(qū)域。并且完成了凹腔燃燒及壁面溫度場(chǎng)的分析，確定了后緣是凹腔熱負(fù)荷最嚴(yán)重的區(qū)域。針對(duì)凹腔后緣提出了局部發(fā)汗冷卻方案，并進(jìn)行了仿真分析，對(duì)比了氮?dú)夂兔河蛢煞N冷卻介質(zhì)，結(jié)果表明由于相變吸熱，煤油做發(fā)汗冷卻劑能夠有效的降低凹腔壁溫。開(kāi)展了多孔發(fā)汗流對(duì)超聲速附面層的影響研究。在超聲速靜風(fēng)洞中，完成了平板多孔發(fā)汗流動(dòng)特性試驗(yàn)，分別在超聲速層流邊界層和湍流邊界層來(lái)流情況下，測(cè)試了氣體多孔發(fā)汗對(duì)邊界層的影響，并對(duì)比了不同的發(fā)汗氣體總壓。采用NPLS系統(tǒng)獲得了流場(chǎng)的精細(xì)速度場(chǎng)圖像，結(jié)果表明壁面多孔發(fā)汗流加速了超聲速層流邊界層的轉(zhuǎn)捩，也會(huì)加速湍流邊界層增厚，增強(qiáng)了氣流與壁面間的對(duì)流換熱。開(kāi)展了多孔發(fā)汗對(duì)凹腔流場(chǎng)和穩(wěn)焰性能影響的試驗(yàn)研究?；趯?duì)凹腔超聲速燃燒與壁面溫度場(chǎng)的研究結(jié)果，在凹腔后緣壁面布置了發(fā)汗冷卻孔。在超聲速燃燒直連式試驗(yàn)中，采用煤油作為發(fā)汗冷卻介質(zhì)，獲得了發(fā)汗冷卻對(duì)凹腔超聲速燃燒影響的火焰分布高速攝影圖像，并對(duì)比了不同的煤油壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明后緣發(fā)汗冷卻導(dǎo)致凹腔內(nèi)的火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，破壞了凹腔內(nèi)大尺度回流結(jié)構(gòu)，改變了凹腔的火焰穩(wěn)定機(jī)制。發(fā)汗出的煤油卷出凹腔后，在凹腔下游貼壁燃燒，也影響了主流區(qū)的燃燒與流動(dòng)。發(fā)汗即出汗。發(fā)汗冷卻材料就是材料處在高溫環(huán)境下工作時(shí)，通過(guò)自身“出汗”以降低材料本身的溫度，進(jìn)而達(dá)到材料冷卻的目的。一種特殊的散熱材料，用于制造耐高溫的航天器器件和電器開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)。這種材料用高熔點(diǎn)金屬構(gòu)成多孔的基體，孔隙中滲入低熔點(diǎn)金屬；在高溫下工作時(shí)，低熔點(diǎn)金屬蒸發(fā)吸熱，借以冷卻材料的表面。這是依據(jù)人體蒸發(fā)汗液吸熱降低體溫的原理設(shè)計(jì)成的，因而得名。我們知道，動(dòng)物在炎熱的夏天或作激烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，渾身大汗淋漓。人的正常體溫在36—37℃之間，當(dāng)體溫超過(guò)這個(gè)范圍時(shí)就是病態(tài)。如果體溫超過(guò)42℃或低于32℃時(shí)將危及人的生命。然而人類生存的環(huán)境卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這個(gè)范圍。在±50℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)人們?nèi)阅苷粘Ｉ睢⒐ぷ骱蛣趧?dòng)。其原因就是人們除采取一些降溫或保溫措施以外，能自身通過(guò)出汗和毛孔收縮來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)體溫的目的，以確保人類的生存和正?；顒?dòng)。發(fā)汗冷卻材料，是一種能“出汗”的金屬材料，這種金屬材料在使用于超高溫工作環(huán)境下仍具有良好的機(jī)械性能和物理化學(xué)性能，以滿足高溫工作部件的使用要求。第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)所需材料——尤其高溫工作部件的材料的各種性能的要求越來(lái)越高，在航空領(lǐng)域高溫工作部件所使用的材料，工作環(huán)境溫度已接近材料的軟化點(diǎn)。在航天領(lǐng)域有些材料的工作溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)材料的熔點(diǎn)（近3000℃），要求其有關(guān)性能仍然保持在一定的水平。這種工作部件，一般常規(guī)下的材料是不能滿足要求。材料科學(xué)研究工作者為了解決國(guó)家對(duì)材料的急需，除研制新型高溫特殊材料外，從上世紀(jì)六十年代初，對(duì)材料采用相應(yīng)冷卻技術(shù)進(jìn)行了研究，以提高材料的使用溫度。如對(duì)流冷卻，氣膜冷卻，雖然能大大提高材料的使用溫度，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足航天技術(shù)對(duì)用材的需要。而發(fā)汗冷卻技術(shù)經(jīng)過(guò)近20年的研制，于上世紀(jì)70年代末比較滿意地解決了航天對(duì)用材的需求。發(fā)汗冷卻技術(shù)是一種仿生技術(shù)，它是利用生物為了生存，對(duì)所處環(huán)境（溫度）進(jìn)行自身調(diào)節(jié)的一種本能。發(fā)汗冷卻，有自發(fā)汗冷卻和強(qiáng)迫發(fā)汗冷卻。自發(fā)汗冷卻多見(jiàn)于粉末冶金材料制品。是通過(guò)加入基材內(nèi)的低熔點(diǎn)金屬粉末顆粒，在高溫下氣化蒸發(fā)帶走基材熱量以達(dá)到材料降溫的目的。而強(qiáng)迫發(fā)汗冷卻，是一種復(fù)合冷卻技術(shù)。由發(fā)汗冷卻和氣膜冷卻兩種冷卻技術(shù)形式組成。首先把材料制成多孔材料部件。在工作過(guò)程中液體料在高壓下從部件材料的“汗孔”滲出蒸發(fā)以帶走部件基體的熱量使部件降溫，同時(shí)由于部件“汗孔”滲出的液體燃料在高溫高速燃?xì)饬鲃?dòng)力的作用下，在部件表面形成薄薄的一層冷氣膜，這層冷氣膜把高溫燃燒的火焰與部件材料表面隔開(kāi)。這就達(dá)到了部件材料的冷卻降溫和保證部件不被高溫燃燒的火焰燒蝕的目的。確保了航天領(lǐng)域的用材需求。經(jīng)過(guò)實(shí)踐應(yīng)用，經(jīng)受住了考核，比較成功地完成了遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和衛(wèi)星運(yùn)載工具的發(fā)射工作。從這種發(fā)汗材料的研制和推廣使用過(guò)程中，擴(kuò)展使用在石化領(lǐng)域的環(huán)保用材，如過(guò)濾、除塵部件的用材，核工業(yè)的溶鹽反應(yīng)堆的試樣的提取；利用液體浸潤(rùn)的物理性能，在宇航領(lǐng)域的航天器上作太陽(yáng)能電池上的氣水分離器。太陽(yáng)能電池為化學(xué)電池，此電池在工作過(guò)程中產(chǎn)生大量的氣體，其中含有一定量水份。若不把水分分離出去，工作一定時(shí)間電池將會(huì)淹死。另外宇航員在空間工作的飲水也是個(gè)問(wèn)題。氣水分離器把汽體里的水分離出來(lái)，即保證了化學(xué)電池的正常工作，還可以提供給宇航員的部分飲水需要。金屬發(fā)汗材料出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，最先獲得應(yīng)用的是用粉末冶金工藝制成的鎢銀“假合金”(pseudoal-loy)和鎢銅“假合金”；兩種金屬各以獨(dú)立、均勻的相存在，不形成合金相，所以被稱為假合金。它們是以鎢為基體，含有約20～50%的銀或銅，用作高電壓、大功率的電器開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)。在假合金中，存在于鎢基毛細(xì)孔中的銀或銅在高壓電弧所產(chǎn)生的高溫下液化蒸發(fā)，吸收了大量的電弧的能量，降低了電弧區(qū)溫度，因而這種假合金的燒損量不僅大大低于低熔點(diǎn)金屬銀、銅觸點(diǎn)的燒損量，而且低于熔點(diǎn)最高的金屬(鎢)的燒損量。當(dāng)時(shí)未用“金屬發(fā)汗材料”的名稱，而稱為“假合金”。50年代末，固體燃料火箭的發(fā)展，理論燃?xì)鉁囟群蛪簭?qiáng)分別達(dá)到3593℃和703kgf/mm2，原來(lái)用的純鎢的噴管已不能滿足這樣的使用條件，當(dāng)時(shí)的其他材料也無(wú)法滿足要求。60年代初,馬特(R.E.Matt)和戈策爾(G.Goetzel)等人根據(jù)“發(fā)汗冷卻”的概念重新研究了鎢銀“假合金”，詳細(xì)研究了制取工藝對(duì)材料性能的影響，以及發(fā)汗冷卻、抗熱震等機(jī)理。60年代中期，美國(guó)研制出鎢銀發(fā)汗材料（W-10Ag）火箭噴管，裝備于“北極星”潛艇的導(dǎo)彈中（見(jiàn)圖）。其他一些火箭有用鎢銅噴管的。某些在溫度稍低的條件下使用的部件，也采用了鉬銅和鉬金屬發(fā)汗材料必須由具有一定強(qiáng)度和耐高溫性能的高熔點(diǎn)金屬與具有較大熔化、蒸發(fā)潛熱的低熔點(diǎn)金屬組成。兩種金屬應(yīng)該既不互相固溶，又不形成金屬間化合物，而組成各自獨(dú)立的均勻兩相結(jié)構(gòu)。高熔點(diǎn)金屬構(gòu)成多孔骨架，它的毛細(xì)孔是均勻分布和連通的，以便充填低熔點(diǎn)金屬。金屬發(fā)汗材料的性質(zhì)決定于：兩種金屬的特性，原始粉末的粒度和形狀，骨架的密度和強(qiáng)度，毛細(xì)孔的形狀、大小和分布狀況，毛細(xì)孔的體積百分比和低熔點(diǎn)金屬含量諸因素。常用的高熔點(diǎn)金屬有鎢、鉬；還可用釷鎢(thoriatedtungsten)和碳化鎢(WC)代替鎢作為高熔點(diǎn)組分。低熔點(diǎn)金屬除銀和銅外，還曾用過(guò)銀銅合金、錫、鉛、鋅、鎂、Ag-15Μn等。典型的鎢銀發(fā)汗材料(W-10Ag)的性能如下：密度1g/cm3;20℃和1093℃溫度下的抗拉強(qiáng)度分別為56和21kgf/mm2,2%屈服強(qiáng)度分別為42和16kgf/mm2；室溫下的彈性模量為29400kgf/mm2；并具有良好的抗高溫?zé)g性、抗熱震性和可切削加工性。W-10Cu的性能與此類似。金屬發(fā)汗材料只能用粉末冶金法制取。主要的工藝流程是：高熔點(diǎn)金屬粉末─→壓型─→燒結(jié)─→