基于高温热管的新型防热结构复合传热特性研究

In recent years, the studies of heat-pipe-cooled leading edge thermal protection structure (HPCLE TPS) have been drawn wide attention from the research field. However, due to the lack of analytical approach for combined heat transfer including surface radiation, internal heat conduction, convection and phase-change heat transfer, the thermal protective mechanisms and their effects are not known enough. Thus, there are still some difficulties in the engineering application of HPCLE TPS. Using the theories of heat transfer, thermodynamics and fluid dynamics , the heat and mass transfer properties of heat pipe would be studied and the simulation approach for the combined heat transfer characteristics of structure would be developed in this project. Then, the mainly influence factors of the thermal protective performance and their effects would be discussed. The present work may provide the theory basis and technical supports for the design, optimization and safety evaluation of HPCLE TPS.

针对基于高温热管的新型防热结构在飞行器热防护系统应用研究中面临的主要问题，拟开展基于高温热管的防热结构复合传热特性的研究。通过开展高温热管内部传热传质特性研究、高温热管与外层防热结构的复合传热特性预测方法研究，以及基于高温热管的防热结构热防护性能的影响因素及作用规律研究，旨在揭示其实现飞行器局部高热流区有效冷却的原理和机制，阐明其热防护性能的影响因素及作用规律，通过建立基于高温热管的防热结构复合传热特性预测方法，为新型防热结构的设计和优化提供理论依据，为保障高超声速飞行器局部高热流区的结构安全、突破飞行器局部热防护技术瓶颈建立基础。

近年来，疏导式防热结构作为突破高超声速飞行器局部热防护瓶颈的一种有效手段，受到了国内外研究者们的广泛关注。但由于相对于传统防热结构的复杂性，疏导式防热结构在高超声速飞行器热防护系统的应用研究中，仍面临着多相复合传热分析方法缺乏、结构防热机理及其影响因素认识不够深入等问题，从而影响了该技术的工程化应用进程。针对上述问题，本文开展了典型疏导式防热结构内部汽、固、液相共存条件下的传热特性研究，建立了多相复合的三维热响应数值计算方法，并基于所建方法对疏导式防热结构防热性能的主要影响因素及其作用规律开展了研究。.本文首先以基于高温热管的典型疏导式防热结构为对象，针对结构表面辐射、内部导热、对流及相变多机制耦合的特点，应用传热学、热力学及流体力学的相关理论，开展了疏导式防热结构内部的耦合传热机理及传热计算方法研究。其中，基于潜热线性逐步释放的假设，引入了控制容积熔化系数以实现导热与熔化过程耦合的分析方法；基于Cotter理论，提出了一种基于温度加权的均匀化边界处理方法以实现导热与蒸发/凝结换热耦合的分析方法；基于分子平均自由程的Maxwell理论及“平面前锋”推进的思想，建立了导热与稀薄-连续流过渡耦合的传热分析方法；并发展了考虑传热极限影响的传热修正分析方法。.在上述分析方法的基础上，本文重点开展了疏导式防热结构的热响应特性分析，获得了加热条件、冷凝条件、结构前缘尺寸、热管内径、长度及间距等因素对疏导式防热结构防热性能的影响规律，并研究了疏导式防热结构展向热管设计及主动冷却设计等对其防热性能的改善作用。.本文的研究一方面建立了疏导热式防热结构内部复杂传热过程的数值模拟技术，形成了从高温热管启动到稳定工作状态全过程的三维热响应分析手段；另一方面则较为系统地研究了疏导式防热结构的热防护机理，获得了其防热性能的主要影响因素及其作用规律。相关成果将为疏导式防热结构设计、优化及性能评估提供理论依据和技术支撑。