新型轻质再生冷却壁板与热环境的耦合响应研究

针对槽道式再生冷却壁板的局限性，提出一种以点阵材料为芯材的新型轻质再生冷却结构，并开展关键基础科学问题研究。围绕点阵夹层结构与热环境的耦合效应，重点研究在特定热环境下的"传热特性"和"强度特性"。研究内容主要包括三个方面：其一，在具有高温、高热流、高流速、非均匀特征的热环境下，点阵夹层结构的耦合传热响应及其主控因素；其二，点阵夹层结构的在特定热环境下的热强度性能，主要关注高温剪切性能、屈曲/后屈曲性能和使役条件下的热强度性能的试验测试方法；其三，满足传热和承载双重功能的轻量化设计方法研究，并初步探索一类梯度型点阵材料（G-LFMs）的设计方法，以适应燃烧室非均匀的热/机械载荷条件。研究成果有望为冲压发动机燃烧室的热防护关键技术突破提供科学依据，满足结构设计的"轻量化"、"热防护"和"高承载"等多功能要求。

课题主要针对新型轻质主动冷却壁板与热环境的耦合行为开展研究。主要工作进展包括：(1)发展了两种主动冷却燃烧室与热环境耦合数值计算方法，其一是考虑了燃烧室外部气动加热、内部对流换热以及冷却通道对流换热之间的耦合关系，建立了主动冷却燃烧室热结构耦合迭代分析方法，提出主动冷却结构安全裕度判据；其二是考虑碳氢燃料与主动冷却结构在流固界面上的动态热力载荷传递，获得热结构响应，采用三维瞬态求解。(2)开展了两种轻质多孔材料增强主动冷却壁板热结构分析与优化设计，其一是利用点阵材料具有高孔隙率、高通过率、且微桁架增加冷却介质局部湍流度从而实现强化换热的特点，以点阵材料为冷却通道从而代替槽道式冷却结构；其二是结合多孔材料具有高比强度、高比刚度的特点，以及槽道式结构具有较高的换热效率和较低的压力损失的特点，形成多孔材料增强型薄壁主动冷却结构。研究表明，优化后的波纹增强方式最大减重率达到了33.4%，蜂窝增强与点阵增强的减重率分别达到28.1%和12.0%。(3)开展了多孔材料夹层结构热力性能试验与测试技术研究。制备了多种夹层板及增强型主动冷却壁板，开展了压缩（平压，侧压，加卸载等）、三点弯曲、剪切，以及高温环境下热屈曲试验。其中，高温条件下热结构测试技术是研究的难点与重点。我们建立起一套基于3D-DIC技术的非接触全场变形测量装备，并对夹层板热屈曲瞬态变形行为进行了很好的测量。