液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究论文

南京航空航天大学硕士学位论文摘要新型超级冷却技术是基于热驱动理论的一种新型冷却技术。通过前期研究发现，热驱动介质热物性的差别对热驱动换热具有很大的影响。本文针对液态金属钠钾合金的热驱动换热特性进行了实验与数值研究。首先，讨论了液态金属与结构材料的相容性问题，根据国内外相关研究，总结了不同液态金属一定条件下的相容性材料。其次，查阅相关材料整理出了液态碱金属热物性随温度的变化规律，通过数值计算得出了液态碱金属的热物性对热驱动换热的影响规律。然后，分别以钠钾合金和水为热驱动介质，对旋转条件封闭循环通道内流体的热驱动换热特性进行了实验研究。分析了热流密度、旋转速度和冷气进口速度对钠钾合金热驱动换热特性的影响。实验结果表明当热流密度、旋转速度和冷气进口速度增加后，钠钾合金的热驱动换热效果明显增强。最后，实验比较了相同条件下钠钾合金和水的热驱动换热效果，同时运用数值模拟的方法比较了钠钾合金和水的换热效果，通过实验和计算的结果比较说明了具有高导热系数的液态金属比水的换热效果优越。通过实验研究和数值计算可知具有高导热系数的液态金属可以应用到新型超级冷却技术中并能起到良好的冷却效果。关键词换热，热驱动，旋转，换热效果，液态金属，腐蚀I液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究ABSTRACTNEWSUPERCOOLINGTECHNIQUEBASEDONTHERMALLYDRIVENTHEORYISANEWKINDOFCOOLINGTECHNIQUETHROUGHFORMERRESEARCHES,THETHERMALPHYSICALPROPERTIESOFTHERMALLYDRIVENMEDIUMHASANIMPORTANTEFFECTONTHEHEATTRANSFEROFNEWSUPERCOOLINGTECHNIQUEEXPERIMENTSHAVEBEENPERFORMEDTOINVESTIGATETHEHEATTRANSFERCHARATERISTICSOFLIQUIDMETALNAKFIRST,ANALYSETHECOMPATIBILITYOFLIQUIDMETALSANDMETALLICMATEIRATHENCHOOSEAPPROPRIATEMATERIALTOVARIOUSLIQUIDMETALSSECOND,INVESTIGATETHERULESOFTHELIQUIDMETALSWITHTHECHANGCEOFTEMPERATURETHEEFFECTOFVARIOUSTHERMALPHYSICALPROPERTIESONHEATTRANSFERWASGAINEDBYNUMERICALCALCULATION。THIRD,EXPERIMENTSHAVEBEENPERFORMEDTOINVESTIGATETHEHEATTRANSFERCHARACTERISTICSOFLIQUIDINTHESIMPLERECTANGLEENCLOSURECHANNELINCENTRIFUGALFIELDNAKORWATERWASFILLEDINENCLOSURECHANNELASTHERMALDRIVENMEDIUMFROMTHOSEEXPERIMENTALDATATHEHEATTRANSFERCRITERIONSHAVEBEENCORRELATEDTHERESULTSSHOWTHATTHECHARACTERISTICOFTHEHEATTRANSFEROFNAKTHEHEATTRANSFERWASENHANCEDWITHTHEINCREASINGINTHERMALDENSITYANDROTATIONALSPEED,ANDTHECOOLINGAIRREYNOLDSNUMBERCOMPAREDTHEHEATTRANSFEREFFICIENCYOFNAKANDWATERTHEN,ANUMERICALSIMULATIONOFHEATTRANSFERFORTHENEWSUPERCOOLINGTECHNIQUEWASALSOCONDUCTEDWITHNAKANDWATERASTHERMALMEDIUMTHERESULTSOFEXPERIENCEANDNUMBERIALCALCULATIONSHOWTHATHEATTRANSFEREFFICIENCYOFNAKISBETTERTHANTHATOFWATERITCANBECONCLUDEDTHATTHEPROPERTYOFTHERMALLYDRIVENMEDIUMHASANIMPORTANTEFFECTONTHEHEATTRANSFEROFNEWSUPERCOOLINGTECHNIQUEALLTHEEXPERIMENTINVESTIGATIONSANDNUMERICALSIMULATIONSSHOWTHATLIQUIDMETALSCANBEGOODHEATTRANSFERMEDIUMAPPLIEDINTHENEWSUPERCOOLINGTECHNIQUEKEYWORDSHEATTRANSFER,THERMALDRIVING,ROTATION,COOLINGCAPACITY,LIQUIDMETALS,EROSIONII液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究图清单图11图12图13图14图21图22图23图24图25图26图27图28图31图32图33图34图35图36图37图38图39图310图311图312图313图314图315图316VI超冷叶片2新型超级冷却技术原理示图3新型超级冷却技术运用于涡轮叶片中的结构设想示意图4液态金属腐蚀图9密度随温度变化趋势图13导热系数随温度变化趋势图14动力粘度随温度变化趋势图14定压热容随温度变化趋势图15热驱动介质换热物理模型16换热能力随密度取值的变化规律19换热能力随导热系数随温度变化率的变化20换热能力随着定压热容变化的规律21旋转台和试验件安装系统图26实验装置图26可控硅整流器、炭刷27冷却系统进气示意图28浮子流量计28试验件结构示意图29重复性实验图31旋转与静止时热面温度对比图32热面温度随旋转转速变化曲线33热面温度随热流密度的变化曲线34热面温度随冷气雷诺数变化曲线34KH随热流密度的变化曲线35KH随旋转速度的变化曲线36H随热流密度变化曲线图37H随旋转速度变化曲线图37H随冷气雷诺数变化曲线图37南京航空航天大学硕士学位论文图317温度的变化比较39图318KH随热流密度的变化比较39图319KH随转速的变化比较39图320图321图322图323图324图325图326图327图328图329图330图41图42图43图44图45图46图47H随转速的变化比较40H随热流密度的变化比较40计算中所采用的网格44计算和实验结果的比较45数值模拟试验件温度分布图46Z方向上中截面温度分布图46加热面温度分布图47冷却面温度分布图47流场显示图48Z方向中截面速度矢量图48M处速度矢量放大图48数值计算几何模型50计算和实验结果对比图52N1200RPM钠钾合金H面温度分布53N1200RPM水H面温度分布53N1500RPM钠钾合金H面温度分布54N1500RPM水H面温度分布54热面温度随冷气进口速度的变化曲线54图48KH随热流密度变化曲线55图49KH随冷气进口速度的变化曲线56图410图411图412KH随旋转速度的变化曲线56H随热流密度的变化曲线图56H随冷气速度的变化曲线图56VII液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究表清单表11表21表22表23表24表25表26表27表28表29表31表32表41VIII液态金属相容固体金属材料表11密度及密度随温度的变化率13导热系数及导热系数随温度的变化率14粘度及粘度随温度的变化率15密度计算工况表18密度计算中物性的取值18导热系数计算工况表20导热系数计算中物性的取值20定压热容计算工况表21定压热容计算中物性的取值21实验工况表30测量仪器及其精度41数值计算工况表52承诺书本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的学位论文在解密后适用本承诺书作者签名日期南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论11研究背景和意义在航空、航天领域中，从二十世纪四十年代到今天，各种新型飞行器层出不穷，航空和航天推进技术也发展到了前所未有的高度。在最近的一、二十年中，不同飞行器对发动机的要求日益提高，而且要求的侧重面各异。如突出空中优势的军用机发动机要求有大推重比、好加速性能和低油耗率；大型民用发动机则侧重于长寿命、低污染以及良好的维护等。无论是高推重比还是长寿命，都对发动机提出了更高的要求。提高航空燃气涡轮发动机的推重比是研制和发展高性能发动机始终不渝的追求目标之一。发动机推重比的提高，使飞机的性能得到了大大的提升。从热力循环角度考虑，能否有效、可靠地提高发动机涡轮前燃气进口温度是提高推重比的最有效措施之一。上世纪70年代和80年代，美国投产的推重比为8一级的发动机，涡轮前燃气进口温度为1640K,当发动机推重比达到10一级，涡轮前燃气进口温度达18501950K。根据美国的“IHPTET”计划，预计设计推重比为1520一级的发动机，涡轮前燃气温度达2200K。但涡轮进口温度的增加受到涡轮叶片材料允许温度的限制，同时维持涡轮叶片的寿命也成了严重的问题。因此，保证发动机叶片等高温部件的安全工作和提高其使用寿命，成为涡轮叶片设计和未来高性能发动机研制中所要面临的关键问题。为解决上述问题，一方面可以通过提高材料的耐热性及改善表面保护来实现，另一方面就是对涡轮进行合理设计，采用有效的冷却措施。目前航空发动机的涡轮叶片材料主要是由各种镍基的高温合金组成，远期发展方向为定向再结晶氧化物弥散强化合金、人工纤维增强高温合金以及新的能承受高温的材料，如金属间化合物及复合材料，碳碳复合材料，陶瓷和陶瓷复合材料。未来的发动机将大量采用非金属材料，以SI3N4为代表的高温结构陶瓷材料是最具有前途之一的材料，但目前尚未进入工程实用阶段。并且即使采用像碳碳复合材料，也难以完全满足涡轮前进口温度逐年提高的需要。显然为达到未来高性能航空发动机提出的技术指标，涡轮叶片的冷却设计将是解决问题的关键。一个优良的涡轮叶片冷却设计可以允许使用更加经111中所示即为超冷高压涡轮部件和超冷叶片。上述技术已在验证机上得到液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究济的金属材料，从而可以有效降低航空发动机的制造成本；在降低冷却空气用量、减小航空发动机动力损失的同时，增加高温部件的使用寿命。这些显著的特点使得涡轮叶片冷却设计在现代和未来高性能航空发动机的研制中占有重要地位。传统的气冷技术，如冲击冷却，气膜冷却，壁面粗糙强化冷却，冲击对流气膜复合冷却等在应用中存在一些问题【4】，其一，涡轮叶片内冷通道的结构弯曲、复杂，加工费昂贵；其二，一些先进的燃起涡轮中用于冷却涡轮的空气量已高达1520，大量空气用于冷却造成了动力装置性能的严重损失；其三，随着空气压缩比的提高，导致冷却空气温度的提高，降低其吸热能力，使得冷却难度加大。所以单纯的气冷提高换热系数的裕度不大，已不能满足日益提高的燃气温度的要求，而且大量引入冷却空气不可避免的造成了涡轮效率的降低，所以解决涡轮叶片冷却的问题显的日益突出，因此发展一种高效的冷却技术是必须的。美国和西欧等发达国家为了保证他们在军事战略上的空中优势，在军用航空发动机热端部件的冷却和可靠性方面投入了巨额的资金，最明显和最具代表性的就是美国的HOSTHOTSECTIONTECHNOLOGY和IHPTET（INTEGRATEDHIGHPERFORMANCETURBINETECHNOLOGY）计划，总投资金额达到了上百亿美元。以IHPTET计划中发动机涡轮为例，其研究目标是涡轮前温度提高500K，冷却空气减少60，重量减少50，单级载荷增加50，生产成本和维修成本降低10，在有效的资金投入下，美国在高温涡轮部件冷却技术上取得了显著的科技成果，研究出“超冷涡轮叶片”、“铸冷导向叶片”等新技术，图【1】成功的应用，使涡轮叶片的冷气量减少了30，涡轮叶片的寿命延长了一倍，这对实现该计划预定的发动机性能指标起了关键性作用。一直以来，热端部件的冷却技术都是航空发动机的关键技术之一，研究成本高，周期长，各国都将该技术视为核心机密，难以从公开发表的文献资料中获取实用的信息。因此，我国要设计自己的图11超冷叶片高性能航空发动机，必须大力开展有关热端部件冷却的实验研究和数值模拟，2南京航空航天大学硕士学位论文获取第一手的数据和资料，以丰富和完善我国自己的发动机设计体系。综上所述，研究新型高效的冷却技术和掌握第一手的数据对我国自行设计高性能发动机将会有极其重要的意义。12新型超级冷却技术及研究现状121基于热驱动理论的新型超级冷却技术新型超级冷却技术是由南京航空航天大学的常海萍教授和清华大学的过增元院士提出的一种基于热驱动理论的新型冷却技术（专利号ZL012175250）。该技术的基本构想是在高彻体力场（如重力场、离心力场）下构造出一个微小循环封闭通道，一端置于高温区，另一端置于低温区，并且在封闭通道内充满着液体，如图12【1】所示。高温区通道中的流体受热，温度上升，密度降低与置于低温区的微小通道内的流体之间形成密度差。在热驱动力的作用下，流体在封闭通道内将会形成循环流动，不断地从热端吸收热量，携带至冷端释放，从而达到冷却的效果。高温区低温区图12新型超级冷却技术原理示意图新型超级冷却技术利用几何尺寸微小化和液体冷却来达到强化换热的效果，而这两方面也正是国内、外的学者在研究各种高效冷却技术时，集中关注的问题。但是，目前基于这些发展方向的高效冷却设计方案中，通常需要一套循环系统和动力装置（如泵等），用于克服几何尺度减小后通道内增加的3液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究阻力，因而结构复杂且需要辅助动力装置，增加了重量。新型超级冷却技术中同样也存在流动阻力问题，但是在各种高速旋转的部件中，例如航空发动机中的涡轮，小小几十克的涡轮叶片在高速旋转下要承受几十吨的离心力，其离心加速度可达105M/S2。根据热驱动的理论，在如此大的离心力场下，如果流体存在有温度差，哪怕仅仅是几度的温差，都将会产生很大的浮升力。如此大的浮升力足以克服微小通道中的阻力，驱使流体自身运动，省去了各种辅助动力装置。图13是新型超级冷却技术运用于涡轮叶片中的结构设想示意图。如图所示，涡轮叶片中构造了若干微小的封闭循环通道，每个微小循环封闭通道的一侧位于涡轮叶片壁内（高温区），另一侧位于涡轮叶片内部的冷气通道内（低温区），封闭循环通道内充满液体，在巨大的离心力场下，封闭通道内的流体在热驱动力的作用下将循环流动，不断地将热量从高温侧迅速地带到低温侧，同时置于涡轮叶片冷却通道内的细微通道可以利用表面积与其体积之比很大的特点，通过极大地增加换热面积来提高换热能力，最终由涡轮叶片冷却通道中的冷却空气将热量带走。图13新型超级冷却技术运用于涡轮叶片中的结构设想示意图4南京航空航天大学硕士学位论文相对于目前常规的涡轮叶片冷却技术，本文所研究的新型超级冷却技术主要具有以下优点1、新型超级冷却技术采用高密度、高比容和高热膨胀率的液体冷却方式，可以更高效地将热量带走，达到强化换热的效果。2、新型超级冷却技术通过构造细微循环通道，利用几何尺度微小化后带来的换热强化，可以有效地提高冷却效率。3、新型超级冷却技术利用离心力场下所产生的巨大热驱动力驱使流体循环流动，将热量从高温区携带至低温区，达到冷却效果，不需要添加任何辅助动力装置，结构简单，不会增加发动机的重量。4、新型超级冷却技术采用的是封闭循环通道，流体被密闭在通道中，大大减小了泄漏的可能性，因而安全性高。综上所述，新型超级冷却技术具有极强的应用背景和扩展前景，不仅有望应用于航空发动机涡轮叶片冷却设计中，有效地提高航空发动机性能、延长寿命，在民用燃气轮机的涡轮叶片、高温旋转部件的冷却以及大型发电机组冷却中也有着巨大的运用潜力。新型超级冷却技术的研究内容涉及到离心力场下热驱动流动和换热，对此已经展开了大量的研究工作，包括理论分析、实验研究和数值模拟。液态金属作为热管和核反应堆的冷却工质中外学者展开了大量的实验研究。122新型超级冷却技术研究现状新型超级冷却技术的研究内容涉及到离心力场下流体的流动和换热，对此已经展开了大量的研究工作，包括理论分析、实验研究和数值模拟。液态金属作为热管和核反应堆的冷却工质中外学者展开了大量的实验研究。针对该新型超级冷却技术文献【1】进行了首次研究，通过对离心力场下简单矩形封闭通道内流体热驱动运动理论分析，表明影响流体热驱动换热的主要因素有离心加速度、热流密度、通道的几何尺寸等；并针对矩形通道内流体的热驱动流动规律和换热特性进行了大量的数值模拟和实验研究，结果表明随着热流密度、旋转速度的增加热驱动换热增强。文献【2】在前期研究的基础上，对新型超级冷却技术的冷却特性展开了深入细致的研究。首先，对旋转条件下封闭通道内流体热驱动换热进行了理论分析，得到了影响新型超级冷却技术的主要因素有浮力数、旋转雷诺数以5液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究及几何参数等；其次，分别以两种液体H2O和R12为热驱动介质，对旋转条件下简矩形通道内流体的热驱动换热特性进行了实验研究，揭示了热驱动介质的热物性对新型超级冷却技术的换热具有显著的影响；在简单矩形通道的基础上，结合涡轮叶片冷却结构设计试验件，对其冷却特性展开研究，由实验结果建立了新型超级冷却技术换热准则关系式，从而获得三个参数对平均冷却效果的影响程度，即冷气雷诺数影响最大，旋转雷诺数次之，浮力数影响最小；最后将新型超级冷却技术与旋转条件下常规的两种涡轮叶片冷却方式粗糙肋强化冷却和冲击冷却的平均冷却效果进行了比较研究，获得了在实验范围内，新型超级冷却技术比另外两种冷却方式具有更优冷却效果的结论。文献【3】首先采用实验和数值模拟的方法研究重力场下单循环通道和多循环通道的流动和换热规律，发现多循环通道确实比单循环通道具有更好的换热效果。其次采用实验和数值模拟的方法模拟涡轮叶片的冷却结构采用带有冷却通道的封闭腔体，在其中加入多孔介质，用实验的方法研究离心力场下该封闭腔体中的热驱动换热现象，通过改变旋转速度，热流密度和冷却空气流量等参数，深入掌握加入多孔介质后的封闭腔体的热驱动换热特性。同时还与无多孔介质的情况进行比较，证明了应用多孔介质的确比无多孔介质的通道冷却效果好。运用数值模拟的方法，分析和探讨加入多孔介质后封闭腔体中流体热驱动的流动规律和换热特性。同时改变多孔层固体骨架材质、多孔层孔隙率和多孔层厚度，进而研究这些参数对离心力场下装有多孔介质的封闭腔体中流体热驱动的影响，为将来在新型超级冷却技术中应用多孔介质提供理论参考。文献【4】对简单矩形通道进行了大量的数值计算揭示了热驱动介质的热物性变化对换热的影响规律。通过数值计算分别得出了液态金属钠、锂和钠钾合金在简单矩形通道高温高转速、高加热量下的换热规律。通过数值计算得出了高温、高转速下以液态金属为热驱动介质，低温低转速下水和二氧化碳为热驱动介质时，通道内压力分布规律。从研究现状可以看出，几年来，课题组已对新型超级冷却技术进行了大量的研究，在研究过程中也不断发现了一些新现象和新问题，其中热驱动介质的选取就是一个很重要的问题。60001EXPTAVRSAT式中R为腐蚀速度（MGCMMON）0S为温度为TK时溶质的溶解度（GM）；A为固体金属面积（CM）；南京航空航天大学硕士学位论文13液态金属相关研究现状液态金属具有良好的热传导性、高的稳定性以及抗辐照性，所以工程上曾利用汞来做锅炉的蒸汽介质，以后液态金属又用于原子能反应堆的冷却剂，常用的液态金属有NA、NAK合金、LI等低熔点金属。文献【4】首次提出了以液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质，并通过计算得出了当热驱动介质为液态金属时，其优良的导热特性将使换热效果得到很大的提高。文献【41】指出水银和其他液态金属在相同的的压力下比水具有更高的饱和温度，在相同的体积和相同的流速下与水相比，液态金属能提供更高换热系数，因此在许多装置中水银和其他液态金属是更合适的换热介质。CRYE和RUGGLES【35】通过改变流速和热流密度实验研究了水银在微小矩形通道内的换热特性并拟合了换热系数表达式。液态金属作为良好的冷却剂在相关行业得到应用的同时，出现了液态金属对装置材料的腐蚀问题，对工业生产造成了一系列的影响，促使人们对液态金属的腐蚀问题展开了研究。因此使用液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质，必须考虑液态金属引发的腐蚀问题。文献【47】指出液态金属对固态金属材料的腐蚀形式大致分为两种情况（1）固态金属材料的合金元素溶解于液态金属之中；（2）液态金属或液态金属中所含的杂质与固态金属材料形成合金或生成化合物。第一种情况固态金属的合金元素溶解于液态金属之中固态金属材料的溶解与金属材料的合金元素在液态金属中的溶解度、溶解速度以及溶质原子的扩散速度有关；并受到存在于液态金属中的非金属夹杂物浓度的影响。在静止的液态金属中，溶质金属的腐蚀速度可用下式表示V23V0为液态金属的体积；为溶解度常数（CMS）；2T为浸入时间。7液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究在上述静态等温系统中，经过一定时间后，当液态金属被溶质所饱和，溶解反应就不再进行。但是再实践中常常是非等温动态运行。如热交换装置中通常有一个高温区，在此热量进入液态金属，还有一个低温区，由此液态金属热量已被环境吸收。在高温区液态金属将溶解足量的溶质金属，最后达到该温度下的平衡浓度。当液态金属流进低温区时由于溶解度随温度下降而变小，过剩的溶质金属将析出来。从低温区流出的液态金属到达高温区时将再次被饱和，这样连续循环，致使处于高温区的材料遭受严重的腐蚀，而在低温区析出的金属将可能造成管路的堵塞。这就是动态腐蚀中称之为温度梯度下的质量迁移或温差质量迁移。另一种动态腐蚀称为等温质量迁移或称为浓度梯度下的质量迁移。它是在等温系统中有两种以上的不同金属材料与液态金属接触。由于某些共同的组成元素在这些异种金属材料种的活度值不同，结果这些元素从活度大的部位溶解到液态金属中，在活度小的部位析出。第二种情况在液态金属中，特别是含有氧、碳、氮、氢等非金属夹杂时则在固态金属表面生成氧化物、碳化物、氢化物。如果这些化合物容易被剥离，则腐蚀急速进行。其腐蚀机理如下（软钢在液态钠中）氧在钠中以NA2O形态存在FE固NA2O（液态钠中）FEO（固）2NA（液态）FEO（固）2NA2O（液）（NA2O）2FEO（固）生成的这种复合氧化物很疏松，与软钢表面附着差，所以易于剥落进入液态钠中，其反应如下（NA2O）2FEO2NA（液）3NA2O（液态钠中）FE（液态钠中）结果是把氧化物作为媒介，产生FE（固）FE（液态钠中）的质量迁移使铁腐蚀。由于液态金属存在着腐蚀破坏，因此在应用液态金属时应注意液态金属与固体金属材料是否具有相容性。所谓液态金属的相容性是指与液态金属发生接触的各种结构材料，以及结构材料和工质间，在长期工作过程中是否发生化学，电化学及物理反应，使壳体遭受腐蚀，或使工质分解，如果结构材料在工作温度范围内长期工作不发生上述现象，或虽发生上述现象但后果不致影响工件的正常工作，则称之为相容，反之不相容。不相容引起的后果结构材料被溶解腐蚀，使壁面强度降低，严重时叶片穿孔，甚至引起燃烧，爆炸事故。液态金属与金属材料不相容造成的腐蚀如图14所示8南京航空航天大学硕士学位论文图14液态金属腐蚀图在新型超级冷却技术中存在加热端和冷却端。因此在使用液态金属换热过程中存在上文所述两种腐蚀行为1旋转换热过程中存在冷热端伴随液态金属流动易发生温度梯度下的质量迁移现象,而导致涡轮叶片内部流动堵塞。2液态金属工质的纯度降低引发对涡轮叶片的腐蚀。因此，必须针对涡轮叶片材料使用合适的液态金属，尽可能的避免腐蚀行为的发生，使液态金属能安全平稳的运行以达到冷却效果。由于高温热管的工作温度较高，因此相关的腐蚀性问题可以参考热管工业中取得的理论和实验结果。SHENGHUAXU【13】在文章中指出对于常用的钠、钾碱金属工质，镍铬不锈钢及镍等已被证实可作为高温热管的管壳结构材料，即在高温时镍铬不锈钢及镍能与钠、钾碱金属具有很好的相容性。文章指出根据相关的实验可知，只要所选用的固体金属材料与液态金属相容，则在相应的工作环境下发生的腐蚀损坏很轻微，不会对相关的工作造成不良的影响。本实验中的工作温度远低于文献中的实验温度，我们可以认为由温差引起的质量迁移很轻微，不会影响实验及实验结果；文献中指出的相容性材料也符合涡轮叶片的要求。文献中同时强调了要确保液态金属的纯度，有关资料显示纯钠与INCONEL617是相容的，但如若钠中的含氧量大于1020PPM，就将引起严重的晶间腐蚀。所以保证高温液态金属工质的纯度和制作过程中的净度是确保工件工作的重要条件之一。文献【10】中指出铯在温度小于1300K时与不锈钢及铌能共容工作，文9液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究献认为在碱液态金属中钠的物性较好，建议钠的工作范围为8001300K。锂是最轻的液态金属在所有液态金属中具有最佳热物性工作温度可达1815K在高于1000K时选用铌或钼作结构材料此时需要腔体是真空。KARLSRUHE【35】实验研究了在873K和973K时钠对不锈钢NO14970的腐蚀和强度影响，实验在流速为5M/S，钠中氧浓度10PPM，结果表明在873K时，由于液钠对该不锈钢的腐蚀而导致某些部位厚度的减小速率小于每年5微米，实验认为NO14970不锈钢在液钠中的溶解度很小。实验也表明了虽然液态钠对不锈钢的腐蚀造成一部分区域的化学成分改变，但化学成分的改变对不锈钢的塑性强度没有消极的影响。通过实验证明了该不锈钢针对液态钠是一种合适的相容材料。文献【12】在高温腐蚀的基础上结合液态金属腐蚀的特点，全面研究了高温热管结构材料与其工质相容性的内在机理，归纳提出了影响高温热管相容性的内因和外因，总结了使用液态金属和应该注意的问题，并指出金属材料镍铬不锈钢（1CR18NI9TI）与液态钠相容。EVTIKHIN、LYUBLINSKI和VERTKOV【42】【43】以锂在核反应堆冷却技术中的应用为背景进行了实验，研究了锂作为冷却介质与结构材料在高温流动状态下的相容性问题。文中分别以V4TI4CR和V10TI5CR两种合金作为固体金属结构材料，以液态锂为工质在温度为973K，流速为1S/M的工况下进行实验其中锂液中氮的含量70/WPPM。在实验运行1000H后，分析了液态锂对实验所用的结构材料造成的影响，实验表明对于钒基合金由于锂流动导致的质量迁移很微弱，主要原因是钒在高纯度锂液中的溶解度很小，并且溶解度仅依赖与温度的发生很小的变化。实验过程中发现钒基合金从不纯的锂液中吸收氮杂质是主要的方面，吸收氮的能力随着合金中钛的增加而增强，并且在有焊接点区域吸收氮的能力更强。通过实验表明液态锂对钒基合金的腐蚀主要倚赖三个方面工作温度、锂的纯度和结构材料与锂的相容性。实验后试验件的机械性能没有发生改变，但是纯钒在实验条件下会脆化。当钒基合金中的钛元素增加或者在锂中的铝杂质增加会导致试验件的机械性质减弱。但是在不锈钢中增加钛的浓度能使不锈钢与锂的相容性增强。实验证明，钒基合金与液态锂在一定的环境下相容性很好不会发生强烈的腐蚀现象。文献【17】首先讨论了液态金属与结构材料相容性问题，针对不同液态金属介绍了与其相容的固体金属材料。其次讨论了以液态金属为工作介质试10南京航空航天大学硕士学位论文验件在选材，密封等方面应该注意的问题。由以上的资料，可以看出液态金属在起到良好的冷却效果的同时还存在强烈的腐蚀作用，但是只要选择合适的固体金属材料，就能避免液态金属对固体金属材料的腐蚀。表11是我们对相关液态金属及与其相容金属材料的总结表11液态金属相容固体金属材料表工作介质汞钠钾锂工作温度06005001200400100070010001800相容性材料1CR18NI9TI,不锈钢，不锈钢，因康镍合金，镍，10NICRMOTIB1515不锈钢，镍V4TI4CR，V10TI5CR钒合金，316奥氏体不锈钢钨，钼，铌14本文研究内容本文以应用于航空发动机高温、高压涡轮叶片冷却的新型超级冷却技术为研究背景，分别采用钠钾合金和水为热驱动介质进行实验和数值模拟研究，并对二者的换热效果进行了比较。具体研究内容为1、整理相关液态金属热物性随温度的变化规律；研究液态金属热物性对热驱动换热的影响，为液态金属的选择提供参考依据。提出了关于新型超级冷却技术热驱动品质因子的概念。2、采用钠钾合金和水作为热驱动介质，通过大量的实验，对矩形通道内钠钾合金的热驱动换热特性进行研究，分析了热流密度、旋转速度和冷气雷诺数对钠钾合金换热效果的影响，同时模拟实验工况进行数值计算，分析钠钾合金在矩形通道内的流动规律。并对水和钠钾合金的换热效果进行了比较。3、采用数值模拟的方法，对带有冷却通道封闭腔体内的水和钠钾合金的换热特性进行研究，从而比较在带有冷却通道的模型中钠钾合金与水的换热效果的差异。11液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究第二章液态金属热物性对热驱动换热的影响前期的研究表明，热驱动介质的热物理性质对新型超级冷却技术的换热特性具有重要的影响。选用何种物质作为热驱动介质应满足以下要求，主要包括（1）工质应适应涡轮叶片的工作温度；（2）工质与叶片材料应相容；（3）工质应有良好的热物理性质；（4）工质应具有热稳定性；（5）经济性、安全性、环境保护、制造工艺等。根据本文的研究内容本章将重点讨论第三个问题。本章研究的液态碱金属包括液态锂、液态钠、钠钾合金、液态铷以及液态铯。通过查阅相关的资料，整理出液态碱金属的热物理性质随温度的变化规律。讨论这些热物理性质及其变化规律对热驱动换热的影响，在新型超级冷却技术中提出热驱动品质因子的概念为热驱动介质的选取提供参考依据。21液态碱金属热物性随温度的变化规律目前液态金属仅应用在少数特殊行业，由于应用范围的限制，致使液态金属的热物理性质变化规律不易查阅。新型超级冷却技术选取流体作为热驱动介质时，主要依据流体的热物理性质及其随温度的变化规律。本文主要以液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质进行研究，必须了解液态金属的热物理性质以及其随温度的变化规律，因此为了本文以及以后的研究工作能方便快捷的使用液态金属的热物性数据，本节就液态金属的热物理性质随温度的变化规律进行了整理。由于工业中常用的液态金属主要是液态碱金属，因此本节参考文献【14】、【24】、【45】和【46】的数据，整理了液态碱金属的热物理性质随温度的变化规律如下所示图21是液态碱金属的密度随温度的变化曲线图。由图21可得随着温度的升高碱金属的密度均成线性降低。根据密度的变化规律拟合出密度随温度变化的函数，在本节中采用线性关系拟合图中的变化趋势，参数取值范围如表21。12LINAKRBCSNA25KA567101101649991010916192012019222946386B010443023806023915046305058726024893DENSITYKGM3南京航空航天大学硕士学位论文线性拟合的形式TABT21表21密度及密度随温度的变化率1900180017001600150014001300120011001000900800700600500400LINAKRBCSNA25K2004006008001000120014001600TEMPERATUREK图21密度随温度变化趋势图图22是液态碱金属的导热系数随温度的变化曲线图。由图22可得在图示温度范围内液态碱金属的导热系数随温度增加呈近似线性变化，除金属锂和钠钾合金外（导热系数随温度近似线性增加），其余四种液态碱金属的导热系数随温度线性降低。根据导热系数的变化规律拟合出导热系数随温度变化的函数。表22拟合参数取值范围。13LINAKRBCSNA25KA3234210231159626391732522418443B00229004676002892001885000985001282THERMALCONDUCTIVITYWMK11DYNAMICVISCOSITYKGMS1170X1060X1050X1040X1030X1020X1010X10液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究9085807570656055504540353025201510LINAKRBCSNA25K200400600800100012001400TEMPERATUREK图22导热系数随温度变化趋势图导热系数线性拟合的形式TABT22表22导热系数及导热系数随温度的变化率图23是液态碱金属动力粘度随温度变化规律曲线图。由图23可以很容易得到在图示温度范围内这六种液态碱金属的动力粘度随温度增加呈指数衰减，相同温度下金属LI的动力粘度最高，金属NA次之，金属钾最低。444444400LINAKRBCSNA25K200400600800100012001400160018002000TEMPERATUREK图23动力粘度随温度变化趋势图148Y0108A110T18A210T2LI9900396123504528375315392504613197323468725714NA8968725078584372500610928915661604828250438339K6528859974953938436110885588484616361451711659RB866171745625063861549854254582502889945846002CS1024508245775579288363382521654630723627NA25K8277835159399089863710922496432138579297229THERMALCAPACITYKJ/KGK南京航空航天大学硕士学位论文本节采用二阶指数衰减函数来拟合图中动力粘度随温度的变化趋势。表23拟合参数取值范围。二阶指数衰减函数的形式1223表23粘度及粘度随温度的变化率图24时液态碱金属定压热容随温度变化规律，由图中可知碱金属的定压热容随温度的变化较小，在实际计算中可以忽略温度对热容的影响，可视热容为定值。450040003500300025002000150010005000LINAKRBCS2004006008001000120014001600TEMPERATUREK图24定压热容随温度变化趋势图22液态金属热物性对换热规律的影响液态金属普遍具有较高的导热系数，在相同工况下液态金属的导热系数普遍是水的十几倍乃至上百倍，可见液态金属的导热系数与常用的流体具有15液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究巨大的差异。在具有高导热系数时，流体的热物性对热驱动换热的影响规律还未展开研究，本节对具有高导热系数的液态金属的热物性对热驱动换热的影响规律进行了研究。221数值模拟中的物理模型和边界条件、基本假设和数学模型2211物理模型和边界条件为了研究液态金属热物性对热驱动换热的影响，我们可以构造一个最简单的封闭循环通道绕X轴旋转形成彻体力，在彻体力场中，热驱动介质在通道中循环流动，进行热量的交换，如图25所示。图中的黑色部分为通道内的流体区域，AB和CD面为加热壁面，设定为等热流密度。EF和GH面为冷却端壁面，设定为等温壁面。其余各面均设为理想的绝热壁面。旋转轴处于封闭通道的对称面上，通道宽度为D0001M，通道高度为H0012M，冷热两端间距为W0008M。热量从AB和CD面进入通道中，流体吸收热量后，温度增加、密度减小，形成热驱动运动的热端；在EF和GH面上，热量被冷却介质带走，流体释放热量，温度减小、密度增加，形成了热驱动的冷端。这样，在彻体力的作用下，封闭通道内的热驱动介质将会在冷、热两端之间产生热驱动流动，实现热量的传递。流体吸热，温度升高，BDFH密度减小加释入热量AR放热量ACEG流体放热，温度降低，密度增加图25热驱动介质换热物理模型16南京航空航天大学硕士学位论文2212基本假设根据本章所研究物理问题的自身特点，数值模拟中所采用的数学模型基于以下假设1、认为封闭通道内液体的流动仍然处于连续流动介质范围内，因此仍可采用无滑移的NS方程求解流场。2、对于液体纯物质，压力对密度、热容、表面张力的影响不大，可以不予考虑，因此相应本文的研究条件，在数值模拟中假设液体的各种物性参数仅是温度的函数。3、封闭通道内液体的流动和换热均看作稳态。2213数学模型为了便于研究旋转条件下流体的流动和换热，通常采用相对坐标系，在考虑流体的可压缩性后，可以得到本模型在旋转相对坐标系下的控制方程组连续方程TXIWJ0（24）动量方程TXJXJXJWIXJWJXI3能量方程DHDTDPDT26其中FIFI2EIJKJWKXI1222HHWIWI2122JX2JWJXII22222离散方法和方程求解数值模拟中采用FLUENT的耦合稳态隐式求解器（COUPLEDIMPLICITSTEADYSLOVER），计算采用了RNGK紊流模型，在近壁区采用了TWOWJWIWJP2IJWKFI（25）XKKTQR2R2WJXWI2WIIJX3172等热流面的加热量W/M300000等壁温面的温度K5003密度（KG/M）523,828,9283密度随温度变化率（KG/MK）04，025，013/KGM/PAS11CP/KJKGK11/WMK0BT000069613986液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究LAYER模型。各参数的离散均采用二阶精度的迎风格式。223计算结果分析为了得到热物性对液态金属换热的影响规律，我们在研究中选取液态钠为基准流体，具体物性变化规律参照21节中所拟合公式。文献【4】指出液体的粘性在所有物性中对热驱动换热影响最小，因此本节主要就液态金属的密度、导热系数和定压热容对换热的影响展开研究。本节计算中主要采用液态金属锂、钠钾合金（25钠）和钠在T0473K的物性数据，这三种液态金属的物性数据及变化范围基本包括了常用液态金属的物性及变化范围。为了研究液态金属热物性的影响，在此我们采用热驱动平均换热能力参数KH来表示通道内流体热驱动的换热能力。KHTMAXQTMINQ加热面的热流密度TMAX热端壁面最高温度TMIN冷端壁面温度2231密度对换热规律的影响由文献【45】知各液态金属的熔点，在此我们取T0473K时（三种金属均为液态）锂、钠钾合金和钠的初始密度0分别取523KG/M3、828KG/M3和928KG/M3，表24是计算密度和密度随温度变化率的工况表表24密度计算工况表表25是计算密度和密度随温度变化率时各物性参数的取值。表25密度计算中物性的取值18KH/X10W/MK42BKG/MKKG/M南京航空航天大学硕士学位论文图26是热驱动的换热能力KH随密度的取值变化规律。在不同密度温度变化率B下，KH均随着0的增大而增大。当0828KG/M3时密度变化率B由01KG/M3K减小到04KG/M3K减副达到300时KH增加了50718W/M2K增加幅度达到695。当B01KG/M3K时密度由523KG/M3增加到928KG/M3增加7744时KH增加了19684W/M2K增加幅度达到3497。说明密度和密度变化率对换热均起到重要的影响。我们发现当B变小时，可以在不增加重量负担时却增加了换热效果促进换热，与0相比B对换热效果的增加更有意义。我们由计算结果还可知当热容、导热系数和动力粘度系数相同时密度与密度变化率乘积即0B越大时换热效果越好。1251201151101051000950900850800750700650600553010250450060070080090010003图26换热能力随密度取值的变化规律由上述分析可知,密度随温度变化率B越小、密度0越大，热驱动的换热能力KH也就越高，而且同0相比，B的取值对KH的影响更大。这是因为B越小，0越大，表明流体在旋转力场下所受到的热驱动力大，此时热驱动介质可以更快地将热端流体携带到冷端，因此热驱动介质的换热能力就得到了增强。2232导热系数对换热规律的影响导热系数的数量级为气体除H2、HE外0010025W/MK,水、NH3和其它的极性液体020060W/MK液态金属10100W/MK，在此处计算中取锂、钠钾合金和钠的初始导热系数值0分别为50W/MK，23W/MK和86W/MK。参见液态金属导192等热流面的加热量W/MQ300000等壁温面的温度KTW500导热系数的取值（W/MK）23，50，862导热系数随温度的变化率（W/MK）0047，001，0033/KGM/PAS11CP/KJKGK11/WMK9280238T00006961390BTKH/X10W/MK24BW/MK液态金属作为新型超级冷却技术热驱动介质的研究热系数的取值范围知计算中所取液态金属导热系数的值基本包括了液态金属的取值变化范围。表26是计算导热系数和导热系数随温度变化率的工况表。表26导热系数计算工况表表27是计算导热系数和导热系数随温度变化率分别取不同值对换热能力影响时的各物性参数的取值。密度、导热系数假设为温度的一次函数，其余物性参数均为常数。表27导热系数计算中物性的取值图27为热驱动的换热能力KH随导热系数随温度变化率B变化而变化的规律。当B不变时，KH随着0的增大而增大。随着0从23W/MK增加到86W/MK增加了27391，KH的最大增加量为14357W/M2K增加1967，可见0的变化对KH的影响是比较大的。从图中可见导热系数变化率B对换热的影响很小，可以忽略B的影响。106W/KM1041021000980