一种基于发汗冷却原理的新型泛多孔结构的热防护结构

1.本发明涉及高速飞行器、燃气轮机等行业的热防护系统设计领域，具体为一种基于发汗冷却原理的新型泛多孔结构的热防护结构。


背景技术：

2.高超声速远程飞行器在飞行过程中其前缘部会遭遇极其严重的气动加热现象，若没有相应的热防护措施，其前缘表面温度会升至高达2000℃。同样在燃气轮机的叶片上，如没有有效的冷却措施，叶片表面温度也会达到近2000℃高温。积极的热防护措施或高效的冷却技术是提高飞行器使用寿命和节约发射成本；同时也是提高涡轮叶片耐热温度，改善燃气轮机经济性和安全性的重要手段。积极的热防护技术越来越受到国际学术界的重视，现在常用的热防护措施主要有被动、半被动和主动冷却三种方法，其中主动冷却技术有对流冷却技术、再生冷却技术、气膜液膜冷却技术和发汗冷却技术。
3.发汗冷却技术作为一种高效传热传质冷却手段，因其可在多孔介质壁面形成保护液膜和强对流冷却性能而广泛应用于高温和高热流壁面冷却过程。然而，由于发汗冷却壁面的流场、温度场强烈非线性耦合关系，难以从理论上进行求解分析；以及传统的烧结多孔材料存在结构强度性能低、孔结构形成过程不可控、发汗冷却效果优化难度大等问题，使得该技术不能够很好的应用于航空航天工业中的高热流密度部件，如高超音速飞行器的前缘、超燃冲压发动机燃烧室、火箭燃烧室以及燃气轮机叶片的冷却。因此研究多孔介质壁面对流传热传质机理，提出并开发一种具有高机械性能强度、高几何精度和易于优化的泛多孔介质热防护结构，对发汗冷却技术具有重大意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决上述已有热防护结构的技术问题，基于发汗冷却原理对泛多孔介质结构进行优化，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，包括能够流通冷却剂的液体通道、支撑结构的金属框架和顶部迎风壁面结构部分组成。所述液体通道呈现树枝状结构，由底部一个树干总液体通道向上展开为树枝状流体通道，每一层次的通道变化均有一个六通结构连接。所述金属框架结构为泛多孔介质结构形式，结构内部充斥着树枝状的流体通道。所述顶部迎风结构为半球形结构固体，可实现流体与外部环境之间的隔离，并可实现流体和外部环境之间的高效换热。
6.如上所述的基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，其中优选的是，所述冷却剂流体通道中的管道段优选为圆柱形和圆锥台型。
7.如上所述的基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，其中优选的是，所述一级支状管网与和四个二级支状管网分支连接部位、二级支状管网与和四个三级支状管网分支连接部位、三级支状管网与和四个四级支状管网分支连接部位均设置为六通通道结构形式。
8.如上所述的基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，其中优选的是，所述一级支状管网的顶部，冷却剂通道垂直于泛多孔介质壁面。
9.如上所述的基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，其中优选的是，所述金属框架为低导热性能的耐高温金属或陶瓷材质。
10.如上所述的基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，其中优选的是，所述顶部迎风半球结构为耐高温耐腐蚀，高导热性能材料。
11.相对于背景技术，本技术提供的基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构：
12.1、冷却剂流体从底部树干通道内部经过机械设备加压，将冷却剂液体泵入各支状流通通道内部，直至流至通道出口位置处。在出口位置处，通过吸收顶部防护结构传递过来的热量，冷却剂发生相变，从而实现降低顶部防护结构温度的目标。
13.2、在泛多孔介质结构内部，金属框架不仅支持着多孔介质模型结构，同样也起着隔热的作用，一方面防治顶部热量传递到冷却剂通道内部，另一方面也防止热量传递到所保护的操作空间。
14.3、顶部保护装置的设置，阻止来流气体与冷却剂之间的直接接触，从而减少冷却剂流动动力，另外，还可以间接保护该泛多孔介质结构的完整性。
附图说明
15.图1为本发明的透视图；
16.图2为本发明的冷却剂通道结构图；
17.图3为本发明的冷却剂通道俯视图；
18.图4为本发明的泛多孔介质结构图；
19.图5为本发明的顶部迎风半球形固体结构图。
20.图中：1冷却剂流体通道、2冷却剂管道、3泛多孔介质结构、4冷却剂相变空间、5顶部迎风结构、 11一级支状管网、12二级支状管网、13三级支状管网、14四级支状管网、15、顶部冷却剂通道、16冷却剂连接管、17冷却剂出口、18冷却剂进口管道。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.请参阅图1，一种基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，包括能够流通冷却剂的液体通道1，即图2中所示结构；支撑结构的金属框架，即泛多孔介质结构3；冷却剂流体相变空间4和顶部迎风壁面结构5部分组成。
23.请参阅图2，所述液体通道呈现树枝状结构，冷却剂流体首先由底部一级支状管11向上展开为五个二级支状管网12，在连接处为一个六通结构件，将一级支状管网中冷却剂流体分配到5个二级支状管网 12中；在二级支状管网12与三级支状管网13的连接处也为一六通结构件，通过上述结构件，将二级管网中冷却剂分配到三级支状管网13中；依次类推，
直至四级支状管网14，从而形成整个树枝状冷却剂流通通道。
24.所述冷却剂流通支状管网俯视图，请参阅图3，当冷却剂通过支状管网冷却剂通道2流通到四级支状管网14时，其中顶部冷却剂通道15直接连接在泛多孔介质3的壁面上，而其他四个出口17均匀分布在泛多孔介质结构3的内部，而未能直接连接在壁面上，此时通过增设与四级支状管网15相同管径尺寸的冷却剂连接管16，将四级支状管网15的四个端口连接到泛多孔介质3的壁面上，从而实现冷却剂通道 2与冷却剂相变空间4的直接连通。
25.所述泛多孔介质结构图，请参阅图4，该结构壁面均匀分布冷却剂出口17，在结构底部设置为一冷却剂进口管道18，即可通过该管道将冷却剂输送到上述支状管网2中。
26.请参阅图5，该热防护结构的顶部为迎风半球形固体结构，在该球体壁面，来流高速高压流体垂直射流在球型壁面表面，将动能转化为热能，从而在球体外壁面形成高温和高热流密度区域。
27.该基于发汗冷却原理的新型发多孔介质结构的热防护结构工作原理：在该泛多孔介质的热防护结构中，冷却剂流体通过动力泵等设备加压后，进入支状管网通道2，通过在支状管网系统的流动和分配，将冷却剂按照设计流量分配到冷却剂相变空间4内。在上述相变空间4内，冷却剂通过吸收来自顶部迎风结构5传递来的高强度热流，发生相变，吸收热量后，通过气液两相流或气体流动排出相变空间4，从而实现热防护作用。
28.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，包括能够流通冷却剂的液体通道(1)、支撑结构的泛多孔介质金属框架(3)、冷却剂相变空间(4)和顶部迎风壁面结构(5)部分组成。所述液体通道呈现树枝状结构，由底部树干型一级支状管网(11)通道向上展开为树枝状流体通道，每一层次的通道变化均有一个六通结构连接。所述金属框架泛多孔介质结构(5)为泛多孔介质结构形式，结构内部充斥着树枝状的流体通道(1)。所述顶部迎风结构(5)为半球形结构固体，可实现流体与外部环境之间的隔离，并可实现流体和外部环境之间的高效换热。2.如上所述的基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，其中优选的是，所述冷却剂流体通道(1)中的管道段优选为圆柱形和圆锥台型。3.如上所述的基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，其中优选的是，所述一级支状管网(11)与和四个二级支状管网(12)分支连接部位、二级支状管网(12)与和四个三级支状管网(13)分支连接部位、三级支状管网(13)与和四个四级支状管网(114)分支连接部位均设置为六通通道结构形式。4.如上所述的基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，其中优选的是，所述一级支状管网(11)的顶部冷却剂通道(15)，均垂直于泛多孔介质壁面。5.如上所述的基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，其中优选的是，所述泛多孔介质金属框架(3)为低导热性能的耐高温金属或陶瓷材质。6.如上所述的基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，其中优选的是，所述顶部迎风半球结构(5)为耐高温耐腐蚀，高导热性能材料。

技术总结
本发明公开了一种基于发汗冷却理论的新型热防护结构，该新型热防护结构设计紧凑，发汗冷却效率高。一种基于发汗冷却理论的泛多孔介质新型热防护结构，包括能够流通冷却剂的液体通道、支撑结构的泛多孔介质金属框架、冷却剂相变空间和顶部迎风壁面结构部分组成，所述液体通道呈现树枝状结构，由底部一个总液体通道向上展开为树枝状流体通道，每一层次的通道变化均有一个六通结构连接。所述金属框架结构为泛多孔介质结构形式，结构内部充斥着树枝状的流体通道。所述顶部迎风结构为半球形结构固体，可实现流体与外部环境之间的隔离，并可实现流体和外部环境之间的高效换热。现流体和外部环境之间的高效换热。现流体和外部环境之间的高效换热。


技术研发人员：曹为学
受保护的技术使用者：天津城建大学
技术研发日：2021.11.18
技术公布日：2023/5/18