（航空宇航科学与技术专业论文）层板发汗冷却理论分析及应用研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博十学位论文 摘要 层板发汗冷却概念提出后的四十多年以来，已有数百种层板装置问世。层板 装置是指将若干蚀刻有流动通道的金属或非金属薄片按预定的结构形式叠放，借 助扩散焊或其他成型工艺，形成的一种装置。层板技术具有热防护能力强、精确 分流、设计和制作灵活、便于自动化生产等优势，目前随着激光光刻技术、尤其 是随着抗腐蚀的金属层板蚀刻与扩散焊技术的发展而呈现出了极大的活力。在典 型层板发汗冷却装置应用于液体火箭发动机推力室热防护研究工作的带动下，层 板技术应用于流体流动控制和燃料发汗喷注等方面的研究也在迅速发展。如在整 个层板式流体混合器的内壁上通过相邻的层板微小缝隙，将不同的流体以交替形 式实施交错分层发汗喷注，利用层板的控制流道来控制各部位的发汗喷注流强， 使得各缝隙层的不同流体交错排列吹出，实现小容腔混合均匀，并可根据需要实 现所期望的混合温度和压强。近二十年来，层板技术的理论研究也有一些进展， 这些研究工作基本上都是围绕同一种流动介质的层板发汗冷却而开展，对不同的 流体的层板交错发汗混合、发汗喷注暂未涉足，这方面的研究工作迫切需要着手 开展，因此，本文对层板发汗冷却理论进行了深入研究，针对层板交错发汗孔隙 与缝隙结构进行了初步的探讨，并开展了层板微小缝隙交错分层发汗喷注装置的 应用研究。 本文主要开展了以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 对典型层板发汗冷却技术及相关理论、国内外层板装置研究进展和层板制 作经验进行了总结。回顾了国内外对层板发汗冷却技术的研究工作，对层板发汗 冷却等典型层板装置以及层板式混合器、高速船推进装置等国内外新型层板装置 进行了介绍，并对层板装置的制作工艺进行了简述。 ( 2 ) 对典型层板发汗冷却结构壁内流道流动与传热特性的研究。基于高温宏观 尺度理论，建立了典型层板发汗冷却散布流道的高温传热模型，研究了求解结构 层板温度和散布流道发汗介质温度的解析方法，得出了层板材料的导热系数、冷 却剂参数、壁面热流流强、散布流道几何参数与结构层板温度以及热浸深度之间 的关系；给出了壁内层板控制流道一般设计方法，探讨了控制流道以及主通道等 流道的流阻特性。 ( 3 ) 基于微观尺度理论数值分析了散布流道的传热特性。以不可压缩流体或可 压缩流体的n - s 方程及能量方程为基础，采用考虑与近壁面流体速度梯度相关的 滑移边界条件，以及与近壁面流体温度梯度相关的温度跳跃边界条件进行流动与 传热计算，建立了微尺度计算模型，得到了结构层板与微小通道内的温度分布趋 势，并与基于宏观尺度理论得到的分析结论进行了对比。 第i 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 ( 4 ) 对层板交错孔隙珠状发汗的蒸发与燃烧速率进行了分析。应用双球坐标系 解析计算了层板孔隙发汗结构出口处珠状发汗介质的蒸发、燃烧问题，探讨了在 层板发汗孔隙密集结构中，发汗液珠的蒸发、燃烧速率与发汗孔隙相邻距离、孔 隙大小以及环境温度、发汗介质的物性等之间的关系，得到两个相互作用的任意 大小发汗液珠的分子扩散组分分布解析解，计算了发汗液珠在不同条件下的蒸发 和燃烧速率变化规律。 ( 5 ) 研究了层板交错分层发汗缝隙结构中的发汗介质流动和燃烧特性，为指导 相关的混合器和燃烧装置方面的设计工作提供理论基础和设计参考。为探讨层板 微缝交错发汗喷注混合和燃烧机理，选用不同种流体作为发汗介质，经过层板微 缝交错发汗喷注结构后进行混合或燃烧，建立了流体混合或燃烧的层板交错发汗 缝隙结构的计算模型，得到了层板交错发汗缝隙结构内发汗流体的流动、组分分 布、温度分布、表面的火焰特性、壁面热流流强等特征。 ( 6 ) 对典型层板发汗冷却的结构层板进行热力耦合特性研究及试验验证。针对 结构层板的热皱损问题，对层板温度、板厚、缝隙宽度与挠曲临界压应力的关系 做出了计算分析。采用伽辽金法通过一个严格满足几何边界条件和静力边界条件 的屈曲试函数得到了散布流动区层板非均匀受热皱损的解析解；采用有限元法对 不同厚度层板的受热变形及小扰动作用下的稳定性、对不同散布流道的高度以及 不同夹筋条宽度条件下的层板受热变形等进行了分析；通过由薄膜加热片、v 型 槽夹具等构成的热皱损试验验证系统对层板热皱损静力分析方法进行了验证。 ( 7 ) 进行了层板发汗冷却分析方法的应用探讨。针对层板发汗冷却装置由许多 相同或相似结构组成的特殊性，采用层板发汗冷却单元参数变量化的方法进行自 动化设计；基于层板发汗冷却技术，将层板交错孔隙珠状发汗特性分析以及层板 分层交错发汗缝隙结构分析等在流体混合机理研究以及交错发汗喷注燃烧研究中 进行了应用，对层板式交错发汗混合与燃烧装置的研究提供了设计依据与理论支 撑。 主题词：层板；发汗冷却；交错分层；热皱损；混合器；燃烧装置；液体火 箭发动机；控制流道；散布流道；双球坐标系 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t i nt h ef o r t yy e a r sa f t e rt h ec o n c e p to fp l a t e l e tt r a n s p i r a t i o nc o o l i n gh a sb e e n i n t r o d u c e d ，h u n d r e d so fp l a t e l e td e v i c e sw e r ei n v e n t e da n da d a p t e d p l a t e l e td e v i c e sa r e f a b r i c a t e db ys t a c k i n gs e v e r a lm e t a l l i co rn o n - m e t a l l i ct h i ns h e e t s ，w h i c ha r ee t c h e d w i lf l o wp a s s a g e s 。i n t op r e d e t e r m i n e dc o n f i g u r a t i o na l o n gw i t ht h em e a n so fd i f f u s i o n w e l d i n go ro t h e rm o l d i n gt e c h n i q u e s t h ep l a t e l e tt e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g e so f l l i g hc a p a b i l i t yo ft h e r m a lc o n t r o l l i n g ，a c c u r a t ed i s t f i b u t a r i e s ，f l e x i b l ed e s i g na n d f a b r i c a t i o n , a n dc o n v e n i e n tf o ra u t o m a t i o ni np r o d u c t i o n a n dt o d a y , i t p r e s e n t se x t r e m e v i t a l i t yb e c 比峪eo ft h ed e v e l o p m e n to fl a s e re t c h i n g , i np a r t i c u l a r , e t c h i n gt ot h e c o r r o s i o n p r o o f e dm e t a lp l a t e l 乩a n dt e c h n i q u eo fd i f f u s i o nw e l d i n g a l o n gw i t ht h e p r o g r e s so ft h et h e r m a lp r o t e c t i o nr e s e a r c ho fl i q u i dr o c k e te n g i n ec h a m b e r , w i t ht h e a d o p t i o no ft y p i c a lp l a t e l e td i f f u s i o nt r a n s p i r a t i o nc o o l i n gd e v i c e , t h er e s e a r c h e so f p l a t e l e tt e c h n o l o g yu s e df o rf l u i df l o wc o n t r o l l i n ga n df u e lt r a n s p i r a t i o ni n j e c t i o na r e i m p r o v e df u r t h e r t a k eap l a t e l e t s t y l ef l u i dm i x e ra sa ne x a m p l e , v a r i o u sf l u i d sf l o wi n f r o ma d j a c e n tm i n u t es l o t so fp l a t e l e ts t r u c t u r a lw a l li nt u r nt or e a l i z ec r o s s - b e d d e d t r a n s p i r a t i o n 蜘e c t i o n , m e t e r i n gp a s s a g e sa r eu s e dt oc o n t r o lt h ef l u xo ft h o s ef l u i d st o e n s u r et h ep r o c e s so fc r o s s - b e d d e di n f l o wf l u i d s ，t h e ne v e nm i x t u r em i x e si ns m a l l c h a m b e rw h i c hd e s i r e dt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ea r ei sa c h i e v a b l e i nt h er e c e n tt w o d e c a d e s ，t h es t u d i e so fp l a t e l e tt e c h n o l o g ya r ea d v a n c e d ，h o w e v e r , t h e ya r ef o c u s i n go n o n ef l u i dm e d i a t o ro n l yt or e s e a r c ht h ep l a t e l e tt r a n s p i r a t i o nc o o l i n g t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c h e so fp l a t e l e tc r o s s - b e d d e dt r a n s p i r a t i o nm i x i n ga n dt r a n s p i r a t i o ni n j e c t i o n a b o u td i f f e r e n tf l u i d sa r eh a r d l yt ob et a k e na n d 廿l e ya r ew a i t i n gt ob ed e v e l o p e di n d e s p e r a t i o n h e n c e , t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e sp r o f o u n dr e s e a r c ho f t h et h e o r yo ft h ep l a t e l e t t r a n s p i r a t i o nc o o l i n g , d i s c u s s e se l e m e n t a r i l yo nt h ec o n f i g u r a t i o no fg a p so rs l o t si nt h e c r o s s - b e d d e dp l a t e l e tt r a n s p i r a t i o ni n j e c t i o na n dm a k e sa p p l i e dr e s e a r c ho nt h em i n u t e s l o t sc r o s s - b e d d e dt r a n s p i r a t i o ni n j e c t i o nd e v i c e s f u r t h e r m o r e ，t h et r e a t i s ei n c l u d e ss o m em a i nr e s e a r c h e sa sf o l l o w s 1 s u m m a r yo ft h et e c h n i q u ea n dr e l e v a n tt h e o r i e so ft y p i c a lp l a t e l e tt r a n s p i r a t i o n c o o l i n g , p r o g r e s so fd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c ho fp l a t e l e td e v i c e sa n dt h e e x p e r i e n c e so ff a b r i c a t i n gp l a t e l e t s i tr e v i e w sd o m e s t i ca n df o 而印r e s e a r c h e so n p l a t e l e tt r a n s p i r a t i o nc o o l i n gt e c h n i q u e ，i n t r o d u c e sl a t e - m o d e lp l a t e l e td e v i c e si no i l l m o t h e r l a n da n do v e r s e a s ，s u c ha st y p i c a lp l a t e l e tt r a n s p i r a t i o nc o o l i n gd e v i c e s ，p l a t e l e t s t y l em i x t u r ea n dh i 曲s p e e dp r o p u l s i o n s ，a n da l s ob r i e f l yd e s c r i b e sc r a r w o r ko f p l a t e l e td e v i c e s 2 s t u d yo nt h et h e r m a lt r a n s f e r r i n gf e a t u r ea n df l u i df l o wi np a s s a g e so ni n n e r 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 w a l lo ft y p i c a lp l a t e l e tt r a n s p i r a t i o nc o o l i n gd e v i c e s o nt h eb a s i so fm a c r o s c a l et h e o r y a n dt h ee s t a b l i s h m e n to fh i g ht e m p e r a t u r et h e r m a lt r a n s f e r r i n gm o d e li nat y p i c a l t r a n s p i r a t i o nc o o l i n gd e v i c e 谢md i s t r i b u t e dp a s s a g e s ，t h e r ea r es o m er e s e a r c h e sh a v e b e e nd o n e ，s u c h 勰f i g u r i n go u tr e s o l u t i o n st oo b t a i na n da n a l y z et h et e m p e r a t u r eo f s t r u c t u r a l p l a t e l e ta n di n j e c t i n gf l u i df r o md i s t r i b u t e dp a s s a g e s ；f i n d i n g o u tt h e r e l a t i o n s h i pa m o n gc o e f f i c i e n to ft h e r m a lc o n d u c t i v i t y , p e r i m e t e ro fc o o l a n t ，f l u xo f t h e r m a lf l o wo fi n n e rw a l l s ，g e o m e t r i cp e r i m e t e ro fd i s t r i b u t e dp a s s a g e s ，s t r u c t u r a l p l a t e l e tt e m p e r a t u r ea n dd e p t ho fh o td i p ；s h o w i n gu ps o m ed e s i g n i n gm e t h o d so f p l a t e l e tm e t e r i n gp a s s a g e sa n dd i s c u s s i n gf l o wr e s i s t a n c ec h a r a c t e ro fp a s s a g e sj u s t 嬲 m e t e r i n gp a s s a g e sa n dm a i np a s s a g e s 3 a n a l y z i n gt h e r m a lt r a n s f e r r i n gc h a r a c t e ro fd i s t r i b u t e dp a s s a g e sa c c o r d i n gt o m i c r o s c a l et h e o r y a l o n gw i t ht h en se q u a t i o na n de n e r g ye q u a t i o n ，m i c r o s c a l e c a l c u l a t i n gm o d e lf o rf l o wa n dt h e r m a lt r a n s f e r r i n gi ss e tu pw i t ha d o p t i o no fs h i f t i n g e d g pc o n d i t i o nr e l e v a n tt ot h es p e e dg r a d i e n to fc l o s e - t o - w a l lf l u i da n dt e m p e r a t u r e v a r y i n ge d g ec o n d i t i o nr e l e v a n tt ot h et e m p e r a t u r eg r a d i e n to fc l o s e - t o - w a l lf l u i d u n d e r a l lt h e s e ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n gm o m e n t u mi ns t r u c t u r a lp l a t e l e t sa n dm i n u t ep a s s a g e s a r em e a s u r a b l e o nt h eo t h e rh a n d ，t h es r m ei s s u e sa r ea l s ot a k i n gu n d e rm a c r o - s c a l e t h e o r y , a n dc o m p a r i n gt h eo u t c o m e sw i t l lt h eo n e sf r o mp r i o ra n a l y s i s 4 t a k i n ga n a l y s i so nt h ee v a p o r a t i o na n dc o m b u s t i o nr a t eo fh e m i s p h e r i c a ld r o p l e t o fc r o s s - b e d d e dp l a t e l e t t r a n s p i r a t i o n b yu t i l i z i n gt h eb i s p h e r i c a lc o o r d i n a t e s ，t h e e v a p o r a t i o na n dc o m b u s t i o nq u e s t i o n so fh e m i s p h e r i c a lm e d i a t o r si nt h eo u t l e to fah o l e s t r u c t u r ep l a t e l e tt r a n s p i r a t i o na r es o l v e d ；t h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ee v a p o r a t i o na n d c o m b u s t i o nr a t eo fah e n , f i s p h e r i c a lt r a n s p i r a t i o ni nai n t e n s i v eh o l es t r u c t u r ep l a t e l e t a n dt h ed i s t a n c eo fa d j a c e n th o l e s ，s i z eo fh o l e s ，e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n d t r a n s p i r a t i o nm e d i a t o r sa r ed i s c u s s e d ，a n a l y t i cs o l u t i o no fm o l e c u l a rd i f f u s i o no f a r b i t r a r yh e m i s p h e r i c a ld r o p l e ta r eo b t a i n e d ，a n dt h ee v a p o r a t i o nr a t i o ，c o m b u s t i o nr a t e a n dc h a n g em o m e n t u mo fh e m i s p h e r i c a ld r o p l e tt r a n s p i r a t i o na r ea c c o u n t e du n d e r v a r i o u sc o n d i t i o n s 5 d o i n gt h es t u d yo ft h ec h a r a c t e ro ft r a n s p i r a t i o nm e d i a t o rf l o wa n dc o m b u s t i o n i nc r o s s - b e d d e dp l a t e l e tt r a n s p i r a t i o ns l o ts t r u c t u r e , a n dp r o v i d i n gt h e o r e t i cb a s ea n d d e s i g ns a m p l ef o rc o n d u c t i n gd e s i g no fr e l e v a n tm i x t u r ea n dc o m b u s t i o nd e v i c e s f o r d i s c u s s i n gt h em i x i n ga n dc o m b u s t i o no fc r o s s - b e d d e dm i n u t es l o tp l a t e l e tt r a n s p i r a t i o n i n j e c t i o n , d i f f e r e n tf l u i d sa r ec h o s e n , a st r a n s p i r a t i o nf l u i d s ，g o i n gt h r o u g ht h e c r o s s - b e d d e dm i n u t es l o tp l a t e l e tt r a n s p i r a t i o ni n j e c t i o nd e v i c et oc o m p l e t et h o r o u g h m i x i n ga n dc o m b u s t i o n w i t ht h eh e l po fs e t t i n gu pat y p i c a lc r o s s - b e d d e dm i n u t es l o t p l a t e l e tt r a n s p i r a t i o nm o d e l ，a n a l y s i so ff l u i dm i x t u r ea n dc o m b u s t i o na r eo b t a i n a b l e ，嬲 w e l l 弱t h ed i s t r i b u t i o no ft r a n s p i r a t i o nf l u i dc o n s t i t u e n t s ，d i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r e 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 a n df l u i df l u xo fi n n e rw a l li ns u c had e v i c e 6 t h e r m o d y n a m i cc o u p l i n g r e s e a r c h e sa r ec a r r y i n go nt o w a r d ss h e e t si n d i s t r i b u t i o np a s s a g e so fp l a t e l e tt r a n s p i r a t i o nc o o l i n g a sf o rt h et h e r m a lw r i n k l i n g i s s u e so fp l a t e l e t s ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ne a c h o ft h r e ef i g u r e s ，w h i c ha r e t e m p e r a t u r eo fp l a t e l e t s ，t h i c k n e s so fs h e e t s ，a n dw i d t ho fm i n u t es l o t s ，a r ec o m p a r i n g w i t ht h ed e f l e x e dc r i t i c a lc o m p r e s s i v es t r e s s e s a n a l y t i cs o l u t i o no fu n e v e n l yt h e r m a l w r i n k l i n gi s s u e so fp l a t e l e t si nd i s t r i b u t e df l o w i n gr e g i o ni sg a i n e db yu s i n gg a l e r k i n m e t h o da n db u l k i n gt r i a lf u n c t i o n , w h i c hs a t i s f i e st h en e e do fg e o m e t r i cb o u n d a r y c o n d i t i o na n ds t a t i cb o u n d a r yc o n d i t i o nr i g o r o u s l y a n a l y s i so ft h ed i s t o r t i o na n dt h e s t a b i l i t yu n d e rm i n o rd i s t u r b i n gf o r c e so fb e - h e a t e dp l a t e l e t si nv a r i o u st h i c k n e s s e s ；t h e h e i g h to fd i f f e r e n td i s t r i b u t i n gp a s s a g e s ；a n db e h e a t e dp l a t e l e td i s t o r t i o nu n d e rt h e c o n d i t i o no fm a n yd i v e r s ew i d t h so fr i ps t r i p sa r eo b t a i n e db yt h eu s eo ff i n i t e - e l e m e n t m e t h o d t h es t a t i ca n a l y z i n gm e t h o do fp l a t e l e tt h e r m a lw r i n k l i n gi st e s t i f i e dt h r o u g h p l a t e l e tt h e r m a lw r i n k l i n ge x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sc o m p o s e do f h e a t i n g - u pm e m b r a n e sa n dc l a m pa p p a r a t u sw i t hv - s h a p ev e s s e l s 7 p r o g r e s s i n g d i s c u s s i o no n a p p l i c a t i o n o fa n a l y t i cm e t h o d so f p l a t e l e t t r a n s p i r a t i o nc o o l i n g w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h es p e c i a lc o m p o s i t i o no fm a n y i d e n t i c a la n ds i m i l a rs t r u c t u r e so ft h ec o n s t r u c t i o no ft h ep l a t e l e tt r a n s p i r a t i o nc o o l i n g d e v i c e ，a u t o m a t i cd e s i g n i n gr e s e a r c h e sw i t hp e r i m e t e rv a r i a t i o nm e t h o d sa r et a k i n go n p l a t e l e tt r a n s p i r a t i o nc o o l i n gu n i t s b a s i n go nt h et h e o r yo fp l a t e l e tt r a n s p i r a t i o nc o o l i n g , t h ea n a l y s i so fc r o s s - b e d d e dp l a t e l e th e m i s p h e r i c a ld r o p l e t st r a n s p i r a t i o na n do ff l u i d k m i x t u r ef l o wa n dc o m b u s t i o no fc r o s s - b e d d e dp l a t e l e tt r a n s p i r a t i o nw i mm i n u t es l o t s t r u c t u r ea r eu s e di nt h es t u d i e so ff l u i dm i x i n gm e c h a n i s ma n dc r o s s - b e d d e d t r a n s p i r a t i o ni n j e c t i o nc o m b u s t i o n a n d f o u n d a t i o n sa r eo b t a i n e df o rt h er e s e a r c h m i x i n ga n dc o m b u s t i o nd e v i c e s t h e n ，d e s i g n c o n s i d e r a t i o n sa n dt h e o r y o nt h ee r o s s - b e d d e dm i n u t es l o tp l a t e l e t k e yw o r d s ：p l a t e l e t ，t r a n s p i r a t i o n 。c o o l i n g ，c r o s s - b e d d e dl a m i n a t i o n ，t h e r m a l w r i n k l i n g ，f l u i dm i x e r ，c o m b u s t i o nd e v i c e s ，l i q u i dr o c k e te n g i n e ，c o n t r o lf l u i d p a s s a g e ，d i s t r i b u t i o nf l u i dp a s s a g e ，b i s p h e r i c a lc o o r d i n a t e s 第v 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 图目录 图1 1 典型的层板发汗冷却推力室示意图1 图1 2 层板装置的制作过程2 图1 3 层板装置的热控制范围2 图1 4 疏松多孔材料式推力室发汗冷却4 图1 5 早期的层板发汗冷却单元5 图1 6 层板发汗冷却单元的改进结构5 图1 7 散布层板与控制层板7 图1 8 层板喷注器l l 图1 9 层板再生冷却推力室的衬底制作流程1 2 图1 10 层板式流体混合器l3 图1 1 1 层板式高速船推进装置结构示意图1 4 图1 1 2 层板式超临界水氧化反应器1 5 图1 1 3 激光器装置冷却部分及内部层板结构1 6 图1 1 4 层板式燃料电池装置示意图1 6 图1 1 5 层板装置的制造工艺流程1 9 图1 1 6 层板的扩散焊焊接流程和设备2 0 图1 1 7 本文的工作要点框架图2 2 图2 1 典型的层板发汗冷却单元2 6 图2 2 层板发汗冷却散布流道2 6 图2 3 结构层板和冷却剂的温度分布曲线。31 图2 4 不同层板材料下瓦变化曲线3 l 图2 5 瓦懈与热浸深度变化曲线3 1 图2 6 不同冷却剂导热系数下瓦变化曲线3 2 图2 7 不同冷却剂比热下正变化曲线3 2 图2 8 不同冷却剂流量下噩变化曲线3 3 图2 9 不同壁面热流流强下瓦变化曲线3 3 图2 1 0 不同流道长度下瓦变化曲线一3 4 图2 1 1 不同流道高度下兀变化曲线一3 4 图2 1 2 不同流道宽度下疋变化曲线一3 5 图2 1 3 不同流道宽度下瓦眦变化曲线3 5 图2 1 4 流体经层板结构进行分流的示意图3 6 图2 1 5 总压降p 随流道长度业变化曲线3 8 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图2 1 6 给定流道长度业下压降变化曲线。3 8 图2 1 7 总压降p 随流道宽度a 变化曲线3 8 图2 1 8 给定压降下世与a 变化曲线3 8 图2 19 控制流道入口的压降4 0 图2 2 0 不同控制流道宽度下入口的压降4 0 图2 2 1 不同数目控制层板入口的