一種用于冷卻高馬赫數(shù)噴管喉道的換熱裝置及其構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高超聲速風洞的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種用于冷卻高馬赫數(shù)噴管喉 道的換熱裝置，以及這種換熱裝置的構(gòu)造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高超聲速飛行器及發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展極大地依賴于地面風洞設(shè)備的建設(shè)。其中， 能夠長時間運行的高超聲速推進風洞是研宄發(fā)動機性能與熱防護技術(shù)必不可少的設(shè)備。高 超聲速推進風洞的關(guān)鍵部件之一是能夠產(chǎn)生高超聲速氣流的噴管。噴管通過橫截面先收 縮、后擴張的變化方式對氣流進行加速，在出口形成高速氣流。因此，噴管的喉道（橫截面 最小處）均具有微小尺寸，如圖1所示，其中y坐標表示噴管型面高度，X坐標表示噴管沿 軸向距離。例如，對于馬赫數(shù)6. 5、出口為500X 500mm的二維噴管，喉道高度僅為4. 5毫米。 高溫、高速氣流的沖刷將對噴管喉道產(chǎn)生顯著的熱載荷。仍以馬赫數(shù)6. 5二維噴管為例，當 氣流總溫為1800K、總壓6. 5MPa時，噴管喉道處的熱流密度將高達15MW/m2,僅比太陽表面 熱流密度低一個量級，與宇宙飛船再入大氣層的峰值熱流接近。在如此高熱流條件下，如何 保證噴管喉道結(jié)構(gòu)的可靠性一直是長時間運行風洞的設(shè)計難點之一。
[0003] 對于高馬赫數(shù)噴管，常用的冷卻方式是在噴管結(jié)構(gòu)中構(gòu)造螺旋形（對于軸對稱噴 管）或者圓形、矩形截面通道（對于二維、三維矩形截面噴管），將冷卻劑導入通道內(nèi)形成充 分發(fā)展的管道湍流，利用對流換熱機制吸收管壁熱量、降低壁溫。這種基于管道湍流的換熱 方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，并且冷卻劑流阻較小等優(yōu)點，是目前幾乎所有噴管采用的冷 卻方式。例如，日本航空宇宙研宄所（JAXA)建造的超聲速自由射流試車臺（RJTF)包括馬 赫數(shù)4、6的二維矩形噴管。噴管均采用高壓水冷系統(tǒng)，通道由深孔轉(zhuǎn)頭沿展向加工。冷卻 水通入圓形通道，以圓管湍流換熱機制吸收壁面熱量。美國Glenn研宄中心建造的馬赫數(shù) 6自由射流風洞（HTF)，其主噴管也采用了管道水冷結(jié)構(gòu)。國內(nèi)中科院力學所、中國航天科 工集團31研宄所、國防科學技術(shù)大學等單位也先后建造了長時間運行的超聲速推進風洞。 對于噴管熱防護也都采用了管道湍流的冷卻方式。
[0004] 眾所周知，管道湍流換熱系數(shù)與管道雷諾數(shù)的0. 8次方成正比。為了獲得高效的 換熱性能，需要很大的雷諾數(shù)。這就對冷卻劑用量提出了很高的要求。因此，基于管道湍流 換熱的冷卻方式通常需要大量的冷卻劑。對于高馬赫數(shù)噴管冷卻要求，難以通過持續(xù)增加 冷卻劑流量進一步提高換熱性能。
[0005] 隨著馬赫數(shù)的進一步提高，噴管，尤其是二維噴管喉道處的熱載荷將急劇增大。這 是由于對于出口尺寸相同的噴管，隨著馬赫數(shù)的提高，喉道高度將減小，同時與飛行馬赫數(shù) 對應(yīng)的氣流總溫、總壓也將增大。例如，具有相同出口尺寸（500X500mm)的二維噴管，馬赫 7噴管喉道熱流是馬赫6噴管的3倍。這時，如果仍采用傳統(tǒng)的管道湍流換熱方式將難以進 行有效地冷卻，確保喉道壁面溫度控制在材料安全使用溫度之內(nèi)。因此，對于更高馬赫數(shù)條 件下長時間運行的風洞噴管，如何有效地冷卻噴管喉道是亟需關(guān)注與研宄的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于冷卻高馬赫數(shù)噴 管喉道的換熱裝置，其大大提高換熱性能、有效帶走喉道熱量、降低壁溫、與管道湍流換熱 方式相比可以使用少量的冷卻液獲得更好的冷卻效果，能夠保證高馬赫數(shù)、高總溫與總壓 噴管長時間安全工作。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：這種用于冷卻高馬赫數(shù)噴管喉道的換熱裝置，其包括 集流槽、多孔板、進水孔、出水孔，多孔板設(shè)在集流槽的底部并具有按照指定方式排列的若 干通孔，多孔板的中心對應(yīng)高馬赫數(shù)噴管喉道的中心且多孔板的曲率與喉道壁面的曲率相 同，多孔板的中心與喉道的中心的間距為H，進水孔設(shè)在集流槽的頂部且進水孔的中心對應(yīng) 喉道的中心，出水孔設(shè)在多孔板和喉道壁面之間通道的末端。
[0008] 由于高馬赫數(shù)噴管喉道區(qū)域的熱流呈現(xiàn)中間高、兩端迅速降低的分布，因此基于 喉道的這種熱流分布特征，本發(fā)明采用這樣的結(jié)構(gòu)：多孔板設(shè)在集流槽的底部并具有按照 指定方式排列的若干通孔，多孔板的中心對應(yīng)高馬赫數(shù)噴管喉道的中心且多孔板的曲率與 喉道壁面的曲率相同，多孔板的中心與喉道的中心的間距為H，進水孔設(shè)在集流槽的頂部且 進水孔的中心對應(yīng)喉道的中心，出水孔設(shè)在多孔板和喉道壁面之間通道的末端，這樣冷卻 液從位于喉道中心的集流槽流入多孔板，形成高速射流沖刷喉道壁面，再由位于多孔板和 喉道壁面之間通道的末端的出水孔流出，從而保證喉道處受到最為有效的沖刷作用，喉道 處的換熱系數(shù)最大，所以大大提高換熱性能、有效帶走喉道熱量、降低壁溫、與管道湍流換 熱方式相比可以使用少量的冷卻液獲得更好的冷卻效果，能夠保證高馬赫數(shù)、高總溫與總 壓噴管長時間安全工作。
[0009] 還提供了一種用于冷卻高馬赫數(shù)噴管喉道的換熱裝置的構(gòu)造方法，包括以下步 驟：
[0010] (1)開始；
[0011] (2)確定高馬赫數(shù)噴管喉道的熱載荷分布；
[0012] (3)確定冷卻劑流量；
[0013] (4)確定多孔板的幾何參數(shù)；
[0014] (5)確定集流槽的幾何參數(shù)；
[0015] (6)確定進水孔、出水孔的管道參數(shù)；
[0016] (7)確定喉道壁面的換熱系數(shù)；
[0017] (8)判斷最高壁面溫度是否小于安全使用溫度，是則執(zhí)行步驟（9)，否則執(zhí)行步驟 (3)；
[0018] (9)判斷流阻是否小于預定要求，是則執(zhí)行步驟（10)，否則執(zhí)行步驟（5);
[0019] (10)確定該換熱裝置的參數(shù)。
【附圖說明】
[0020] 圖1是二維噴管喉道區(qū)域的高度分布示意圖，y坐標表示噴管型面高度，X坐標表 示噴管沿軸向距離。
[0021] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的用于冷卻高馬赫數(shù)噴管喉道的換熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖3是圖2中多孔板的通孔的排列示意圖。
[0023] 圖4是噴管喉道區(qū)域熱流密度分布示意圖，y坐標表示熱流密度大小，x坐標表示 噴管沿軸向距離。
[0024] 圖5是喉道處換熱系數(shù)示意圖，y坐標表示對流換熱系數(shù)大小，X坐標表示噴管沿 軸向距離。
[0025] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的換熱裝置的構(gòu)造方法的流程圖。
[0026] 圖7是馬赫數(shù)為6的二維噴管喉道壁面溫度分布云圖。
[0027] 圖8是馬赫數(shù)為7的二維噴管喉道壁面溫度分布云圖。
【具體實施方式】
[0028] 如圖2所示，這種用于冷卻高馬赫數(shù)噴管喉道的換熱裝置，其包括集流槽2、多孔 板3、進水孔1、出水孔4,多孔板設(shè)在集流槽的底部并具有按照指定方式排列的若干通孔， 多孔板的中心對應(yīng)高馬赫數(shù)噴管喉道5的中心且多孔板的曲率與喉道壁面的曲率相同，多 孔板的中心與喉道的中心的間距為H，進水孔設(shè)在集流槽的頂部且進水孔的中心對應(yīng)喉道 的中心，出水孔設(shè)在多孔板和喉道壁面之間通道的末端。
[0029] 由于高馬赫數(shù)噴管喉道區(qū)域的熱流呈現(xiàn)中間高、兩端迅速降低的分布，因此基于 喉道的這種熱流分布特征，本發(fā)明采用這樣的結(jié)構(gòu)：多孔板設(shè)在集流槽的底部并具