发汗冷却支板实验研究黄拯

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1、传热传质学编号:143563中国丄稈热物理学会学术会议论文发汗冷却支板实验研究1黄拯，祝银海，姜培学*(热科学与动力工程教育部重点实验室，清华大学热能工程系，北京100084)(Tel:010-62787962,Email:jiangpx@mail.tsinghua.edu.cn)摘要木文针对采用发汗冷却的超燃冲压发动机内燃料喷注支板的端部热防护效果不佳问题，改进支板发汗冷却方案，进行了相关实验研究。首先设计并采用注射成型技术制作了倾斜于主流来流的烧结不锈钢粉末多孔支板结构，降低来流的高温主流在壁面的气动

2、加热效应。所加工支板在Ma=2.5,总温为1705K的高温高速主流中能够稳定工作，在实验过程中，支板的多孔材料并没冇发生堵塞及烧蚀。所测量的支板根部温度显示，发汗冷却使得壁面相比于主流來流温度产生了近1200K的温降。关键词超音速；发汗冷却；支板；热防护0前言超燃冲压发动机作为吸气式发动机的一种，飞行过程屮外界的空气被吸入燃烧室内参与燃烧。燃烧室内气体以超音速流动，燃料从燃烧室壁面喷出，在其中的滞留时间只有儿个亳秒，为燃料的点火带来极大的挑战。通过设计有效的结构来增强燃料的混合对提高点火、燃烧性能具有极大

3、的意义。目前提出的超燃发动机燃烧室研究屮普遍釆用支板结构增混、凹腔结构稳焰等方案来改善燃烧性能。相比于将燃料直接从燃烧室壁面注入，燃料从深入到流动核心区域的支板内喷出，有助于与主流混合，克服了壁面入射穿透高度小的缺点。目前己有的针对超燃冲压发动机燃烧室支板的研究主要集在支板对燃料混合、流场结构和气动影响方面，针对支板热防护的研究很少。Tani［1］等人实验研究了五种不同结构支板存在产生的激波对两侧壁面的影响。实验结果发现，支板造成的斜激波打到两侧壁面上，会造成相应区域产生较大的分离区，从而降低总压效率和捕

4、获比。Masuy［2］实验研究了超燃发动机燃烧室内支板燃料喷注对点火和燃烧的影响，实验表明支板垂直或者水平喷注燃料，点火器均能成功点火，并II没有明显的时间延迟，证明了支板带来的良好性能。超燃发动机燃烧室内为高温高速环境，由于气动热非常严重，因此支板尤其是支板前缘很容易发生烧蚀破坏oDessornes［3］在研究超燃发动机内部不同的掺混技术屮提到其采用支板结构的工况在主流总温达到1650K后出现热破坏而无法得到数据。有一些学者专门针对支板的热防护进行了研究，Motoyama［4］建议通过在钝体头锥前段设置

5、一个尖劈来改变其前端流场，在钝体前段滞止点区域产生回流区，从而降低热流密度。Bouchcz［5］介绍了法国PATH-SOCAR项目在双模冲压发动机内利用燃料冷却C/SiC复合材料的实验和数值模拟工作。孙冰［6］数值计算了再生冷却结构、C/SiCI耐温材料和气膜冷却对支板的热防护效果，计算结果表明对高马赫数流动，再生冷却结构和C/SiC耐温材料不能很好的对壁面进行保护，需要气体喷射方案来实现有效的热防护。发汗冷却技术可以通过较少的冷却剂即可实现良好的冷却效果，因此可将发汗冷却技术应用于超燃发动机燃烧室内支板

6、的热防护方案。本课题组首先提出将发汗冷却的概念引入到燃料喷注支板中［7］,采用金属注射成型技术烧结得到多孔隙的支板结构，在不改变原有尺寸与结构的情况下，通过燃料从支板内部流经多孔区域进入主流过程屮的换热与流出后的隔热效应对支板进行冷却。［7］中支板结构与主流来流呈垂直布置，高温高速来流在支板前缘部分完全滞止，气动加热最强。其实验过程中支板未发生热破坏，仅在顶部发现部分氧化。本文在前者工作［7］的基础上，进一步改进支板的形状，降低气动加热量，在相同来流条件下采用气体甲烷作为燃料与冷却工质进行搭载实验，以验证

7、发汗冷却用于燃料喷注支板热防护的有效性与发汗冷却支板结构的一般规律。1实验系统1.1多孔支板】圧金项忖：国家自然科学肚金而上项H(No.51276094)与国家自然科学基金创新硏究群体科学基金(No.51321002)资助图1给出了支板的物理模型和二维尺寸的横截面示意图。支板长36mm,6mm,高23mm。支板前缘为2毫米半径的圆弧，支板壁面厚度为1毫米，尾部厚度为2.5毫米。空腔内部有一个1毫米厚的肋结构用来加强支板的强度。肋结构将支板内空腔分为两个部分。36图1支板结构图多孔支板采用金屈粉末注射成型技

8、术制作。首先将不锈钢粉末与有机粘结剂均匀混练,经制粒后在加热塑化状态下（〜150°C）用注射成形机注入模腔内固化成形，然后用化学或热分解的方法将成形坯中的粘结剂脱除，最后经烧结致密化得到最终产品。得到的最终产品照片如图2所示：图2倾斜支板照片支板加工过程中使用的金属粉末为不锈钢lCrl8Ni9Ti,平均颗粒直径为40pn,压汞仪测量得到的支板内当量孔隙直径为5.7屮m孔隙率为32.6%。对制作的支板首先进行耐压实验，以此来确定