高热流环境下溢流液膜热防护方法研究

For the future hypersonic vehicles, it is one of practical challenges to resolve the conflict between the improvement of the ratio of lift to drag and the reduction of heat flux loaded on it, where the thermal protection for the high heat flux region, such as stagnation point, leading wing edge and protrusion, and its implementation technique play a crucial role. In response to this problem, a thermal protection concept of using the liquid film formed by overflow is proposed. The basic idea is that, the coolent overflows rather than jets from the small hole locating at the vicinity of high heat flux region by control the flow rate, then under the effect of the friction of the surrounding flow, the coolent is spead over the surface or scatter into the boundary layer. This thermal protection method should be a reference and a choice for the design of the future hypersonic vehicles. The main content of this study includes: 1)the condition for the formation of the coolent film and the effect of the major control parameters; 2)establishment of the numerical analysis model and corrosponding solving algorithm, and the study on the influence of the coolent film on the aerodynamic heating; 3)setting up the experimental facility capable of producing high temperature and speed test flow to meet the experimental requirement，and conducting the experimental study of the overflow film thermal pretoction.

对新一代高超声速飞行器而言，如何合理地解决高升阻比与降低热流率的矛盾是其实用化所面临的难题之一，尤其驻点、前缘和突起物附近的防热及其实现技术更是其中的关键。本研究针对高超声速飞行器局部高热流区的热防护问题，提出采用溢流降低热流的概念。其基本思想为，在高热区附近布置溢流孔，通过对冷却液的流量的控制，保证其不喷成射流，而是以溢流的方式流出，而后在绕流气体的表面摩擦力作用下，将其展布为薄膜，覆盖在周围，或者散布在表面边界层中。冷却液覆盖之处，热流率定能大大降低。该防热方式可为未来长时间、远距离高速飞行器的防热设计提供参考和选择。 主要研究内容包括：1溢流液膜形成条件，控制液膜形成的关键参数；2溢流液膜热防护方法的理论建模和相关数值模拟分析方法，研究溢流对气动加热特性的影响规律；3 针对溢流防热的实验需求，建立能够产生高温、高速的试验气流平台，用实验的方法开展溢流热防护方法的研究。

对新一代高超声速飞行器而言，如何合理地解决高升阻比与降低热流率的矛盾是其实用化所面临的难题之一，尤其驻点、前缘和突起物附近的防热及其实现技术更是其中的关键。本研究针对高超声速飞行器局部高热流区的热防护问题，提出采用溢流降低热流的概念。其基本思想为，在高热区附近布置溢流孔，通过对冷却液的流量的控制，保证其不喷成射流，而是以溢流的方式流出，而后在绕流气体的表面摩擦力作用下，将其展布为薄膜，覆盖在周围，或者散布在表面边界层中。冷却液覆盖之处，热流率定能大大降低。.围绕溢流液膜热防护机理和关键技术的需求，本研究所开展主要工作和取得的主要结果如下：.1、得出了溢流液膜形成条件。溢流最为关键的问题是溢流能否形成有效覆盖的液膜，为此，设计并进行了溢流冷膜形成的冷喷观察实验和爆轰风洞纹影实验，得出来流状态（主要是来流流速和气流压力）和溢流流量对液膜形成的影响条件；.2、建立了溢流液膜热防护方法的数值分析简化模型，通过对冷却剂（H2O）在不同流量下的壁面热流分析，获得了溢流对前缘的气动加热特性影响的规律，为实验状态参数的选取提供了依据；.3、针对溢流液膜热防护方法的实验需求，建立了相应的高温、高压气流产生实验平台，设计了合理的溢流冷却剂注入系统和同步控制系统，研制出高精度的热流传感器，为溢流降热实验提供了技术准备；.4、用实验的方法探明了溢流液膜热防护的防热效果。. 已开展的研究表明溢流液膜具备降低前缘热流率的明显防热效果，可为未来长时间、远距离高速飞行器的防热设计提供参考和选择。