發散冷卻在高超聲速飛行器中套用的基礎問題研究

《發散冷卻在高超聲速飛行器中套用的基礎問題研究》是依託中國科學技術大學，由王建華擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：發散冷卻在高超聲速飛行器中套用的基礎問題研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：王建華
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

針對近空間吸氣式高超聲速遠程飛行器研發中出現的材料/結構與熱負載之間的突出矛盾，研究高效、主動冷卻系統設計所涉及的流體力學、傳熱學及熱力學交叉學科的基礎問題。通過實驗和理論研究，完善多孔介質里的氣體動力學模型，使其適用於高溫和大溫度梯度環境。研究描述液體在多孔材料骨架中運動、吸熱、相變過程的數學模型和數值方法，準確解釋液體冷卻介質在相變過程中的各種狀態變化，闡明控制冷卻介質相變過程的機理。數值模擬軸對稱物體滯止區發散冷卻特性，考慮氣動熱和氣動力的非均勻性，掌握其冷卻系統設計中的關鍵要素。建立發散冷卻特性數值模擬平台，預測高超聲速飛行器熱結構在真實環境下的主動熱防護效果，評估冷卻系統運行的可靠性。這一工作的重要意義在於：探索高效、主動熱防護核心結構在高溫高速環境下的準確、可靠運行所依賴的基礎性科學問題，找到近空間高超聲速飛行器大幅度突破材料極限的高溫部件創新型設計的源頭。

結題摘要

在基金資助下，發表學術論文23篇，其中，英文雜誌9篇，中文雜誌3篇，境外國際會議11篇。在項目執行期間，培養博士後1人、博士研究生6人、碩士研究生3人。課題負責人2012年入選Committee Member of ASME /HTD Gas Turbine Heat Transfer以及Committee Member of ASME /IGTI Heat Transfer。課題組成員中 2人獲得“國家優秀博士生獎”、1人獲“中科院力學攀登獎”，2人獲中科大“四維動力獎”，3人獲中科大“優秀本科畢業論文獎”。主要原創性研究成果可歸納為以下四個方面：（1）在傳統的土壤和岩石滲流力學中，兩相流區域中的油、氣被認為是互不相容的。相反，發散冷卻多孔骨架中的液體工質吸熱相變將導致液體總動量減少，同時蒸汽總動量增加，這種液體總動量減少與蒸汽總動量增加是相互關聯的。為了發展適用於具有液體相變的發散冷卻動力學模型，我們提出了新型的汽-液耦合動量方程。（2）傳統的多孔介質里兩相流能量守恆方程大多建立在兩相區為等溫假設基礎上。我們通過研究發現，這一假設可能導致汽-液-固綜合有效熱擴散係數突變，從而使得計算結果完全失去物理意義。為了解決這個問題，我們將吉布斯自由能引入兩相區能量守恆方程，發展了流-固能量方程耦合數值求解程式。（3）在國外近年發表同類實驗研究的基礎上，我們重點研究了利用熱力學參數控制液體工質相變位置的策略，並設計論證了局部提高滯止點冷卻效率的特殊技術，通過實驗現象分析提出了“最佳冷卻液體注射率”的新概念。（4）在項目執行期間，作為我國未來高超聲速飛行器研發所需的關鍵技術儲備之一，我們的基礎研究得到國內相關部門的支持，設計製造的尖銳前緣液體發散冷卻試驗件在馬赫數2、熱流4.5兆瓦的環境下通過了高焓風洞可行性實驗。