CN110501135A - 变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构 - Google Patents

Abstract

一种变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构，包括冷却板，冷却板外侧为与常温空气接触的外壁面，冷却板内侧为与高速气流接触的近壁面，冷却板两端为支撑结构的侧壁，外壁面、近壁面和侧壁构成冷却通道，冷却通道分为短肋区、扰流柱区和长肋区，短肋区由多个短肋按照阵列或错列排布而成，短肋区入口即为冷却工质入口端，短肋区出口和扰流柱区入口边相通，扰流柱区由多个扰流柱按照阵列或错列排布而成，扰流柱区出口边和长肋区入口相通，长肋区由多个长肋按照阵列或错列排布而成，长肋区出口即为冷却工质出口端；本发明冷却均匀，可根据冷却要求进行母体变换。

Description

变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构

技术领域

本发明属于变马赫数型线风洞高温喷管技术领域，特别涉及一种变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构。

背景技术

变马赫数型线风洞高温喷管主要应用于模拟航空航天飞行器高速飞行的地面实验研究，变马赫数型线风洞高温喷管近壁面和外壁面温度高达800-1000K，喷管外形对内部气流运动产生的温度敏感。变马赫数型线风洞高温喷管可以将亚音速气流转换为模拟高速飞行器飞行过程中的超音速气流，但是由于入口温度较高，受到当前材料耐热性能制约，变马赫数型线风洞高温喷管近壁面和外壁面受高温影响，导致热变形和急剧老化，所以对变马赫数型线风洞高温喷管近壁面和外壁面进行均匀冷却是十分必要的。

目前，对于变马赫数型线风洞高温喷管常规的冷却方式有，第一，对外壁喷水，由于型线为曲线，该方式会导致冷却不均匀，局部膨胀。第二，在外壁面与近壁面夹层通入冷却水进行冷却，将水冷通道分成多个通道进行冷却，风洞高温喷管沿轴线方向的温度分布不同，该方式由于喷管夹层宽且长，该方式会导致出现冷斑现象，局部高温区仍无法到达冷却要求；同时，变马赫数型线风洞高温喷管为一体式结构，常见的冷却结构设置后不可调整，这对于模拟不同工况下飞行器飞行，随着变马赫数型线风洞高温喷管近壁面和外壁面温度分布的变化，常见的单通道和多通道水冷结构已经无法达到对高温区的冷却需求，造成壁面温度不均匀，产生形变，无法模拟相应工况。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构，冷却均匀，可根据冷却要求进行母体变换。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构，包括冷却板，冷却板外侧为与常温空气接触的外壁面10，冷却板内侧为与高速气流接触的近壁面9，冷却板两端为支撑结构的侧壁8，外壁面10、近壁面9和侧壁8构成冷却通道，冷却通道分为短肋区Ⅰ、扰流柱区Ⅱ和长肋区Ⅲ，短肋区Ⅰ由多个短肋5按照阵列或错列排布而成，短肋区Ⅰ入口即为冷却工质入口端3，短肋区Ⅰ出口和扰流柱区Ⅱ入口边相通，扰流柱区Ⅱ由多个扰流柱6按照阵列或错列排布而成，扰流柱区Ⅱ出口边和长肋区Ⅲ入口相通，长肋区Ⅲ由多个长肋7按照阵列或错列排布而成，长肋区Ⅲ出口即为冷却工质出口端4。

针对变马赫数型线风洞高温喷管壁的轴向温度分布，扰流柱区Ⅱ设置在内外壁喷管喉口高温部分进行冷却，短肋区Ⅰ、长肋区Ⅲ设置在低温区域进行冷却；针对变马赫数型线风洞高温喷管壁的纵向温度分布，将短肋5、扰流柱6、长肋7进行不等间距排列，进行冷却。

针对变马赫数型线风洞高温喷管壁变马赫数型线变化后温度分布变化产生的不同冷却需求，变换短肋区Ⅰ、扰流柱区Ⅱ、长肋区Ⅲ的位置以及短肋5、扰流柱6、长肋7类型。

所述的短肋区Ⅰ的短肋5、扰流柱区Ⅱ的扰流柱6、长肋区Ⅲ的长肋7以母体进行阵列或错列排布。

所述的短肋区Ⅰ的短肋5、扰流柱区Ⅱ的扰流柱6、长肋区Ⅲ的长肋7进行阵列或错列排布，阵列之间距离至少保证冷却工质能够流动，根据与常温空气接触的外壁面10和与高速气流接触的近壁面9纵向温度分布变化，进行不等间距阵列或错列。

所述的扰流柱区Ⅱ的扰流柱6为圆形、圆台、方形、方台、水滴形或反方向水滴形扰流柱。

所述的短肋区Ⅰ的短肋5、长肋区Ⅲ的长肋7为方形、梯形、半圆形或三角形截面。

本发明与现有技术相比至少具有如下的有益效果：

第一，由于近壁面9和外壁面10轴向温度不均，型线两端温度略低，设置短肋区Ⅰ和长肋区Ⅲ，短肋、长肋阵列或错列排布进行冷却，增加了一定的换热面积；喉口位置温度最高，扰流柱区Ⅱ增强了对冷却工质的扰动，从而增加了来自不同流道冷却工质的掺混，还增加了冷却工质流动的贮存时间，实现对变马赫数型线风洞高温喷管近壁面9和外壁面10换热效果显著增强，达到均匀冷却，提高冷却效率的目的。

第二，近壁面9和外壁面10的部分区域存在着纵向温度分布不均，其中通道内阵列型强化换热冷却结构的部分短肋区Ⅰ的短肋5、扰流柱区Ⅱ的扰流柱6、长肋区Ⅲ的长肋7可进行不等间距阵列或错列，纵向温度较高区域，阵列间距较大，纵向温度较低区域，阵列间距较小，增大纵向高温区域的换热面积，减小纵向低温区域的换热面积，实现冷却工质的合理高效利用，增加冷却收益。

第三，针对变马赫数型线风洞高温喷管壁变马赫数型线变化后温度分布变化产生的不同冷却需求，变换短肋区Ⅰ、扰流柱区Ⅱ、长肋区Ⅲ的位置以及短肋5、扰流柱6、长肋7类型，增加了一定的换热面积，增加了来自不同流道冷却工质的掺混，还增加了冷却工质流动的贮存时间，实现对变马赫数型线风洞高温喷管近壁面9和外壁面10换热效果显著增强。

第四，根据需要，变换短肋区Ⅰ、扰流柱区Ⅱ、长肋区Ⅲ的位置以及短肋5、扰流柱6、长肋7类型，实现在不同温度条件下对冷却结构进行适应性调整变换，应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明和变马赫数型线风洞高温喷管的结构示意图。

图2为本发明阵列型强化换热冷却结构的示意图。

图3为本发明阵列型强化换热冷却结构扰流柱区Ⅱ的扰流柱6的圆形、圆台、方形、方台、水滴形、反方向水滴形的截面示意图。

图4为本发明阵列型强化换热冷却结构扰流柱区Ⅱ的扰流柱6呈阵列、错列排布示意图。

图5为本发明阵列型强化换热冷却结构短肋区Ⅰ的短肋5或长肋区Ⅲ的长肋7的方形、梯形、半圆形、三角形截面示意图。

图6为本发明阵列型强化换热冷却结构短肋区Ⅰ的短肋5或长肋区Ⅲ的长肋7呈阵列、错列排布示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

参照图1和图2，一种变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构，包括冷却板，冷却板外侧为与常温空气接触的外壁面10，冷却板内侧为与高速气流接触的近壁面9，冷却板两端为支撑结构的侧壁8，外壁面10、近壁面9和侧壁8构成冷却通道，冷却通道分为短肋区Ⅰ、扰流柱区Ⅱ和长肋区Ⅲ，短肋区Ⅰ由多个短肋5按照阵列或错列排布而成，短肋区Ⅰ入口即为冷却工质入口端3，短肋区Ⅰ出口和扰流柱区Ⅱ入口边相通，扰流柱区Ⅱ由多个扰流柱6按照阵列或错列排布而成，扰流柱区Ⅱ出口边和长肋区Ⅲ入口相通，长肋区Ⅲ由多个长肋7按照阵列或错列排布而成，长肋区Ⅲ出口即为冷却工质出口端4；

亚音速气体以一定速度从变马赫数型线风洞高温喷管入口端1进入，经过喷管喉口，加速产生超音速气流，从变马赫数型线风洞高温喷管出口端2排出；在型线部分喷管温度较高，采用冷却工质进行冷却，冷却工质与冷源连接，冷却工质从冷却工质入口端3进入，途径由外壁面10、近壁面9和侧壁8构成的冷却通道，最后从冷却工质出口端4排出；参照图2，冷却工质从冷却工质入口端3进入，途径阵列或错列排布的短肋区Ⅰ、扰流柱区Ⅱ、长肋区Ⅲ；针对变马赫数型线风洞高温喷管的型线的近壁面9和外壁面10轴向温度不均，型线两端温度略低，设置短肋区Ⅰ和长肋区Ⅲ，肋区5或长肋7阵列或错列排布进行冷却，增加了一定的换热面积；喉口位置温度最高，即两型线之间最短的垂直距离附近，扰流柱区Ⅱ的扰流柱6增强了对冷却工质的扰动，从而增加了来自不同流道冷却工质的掺混，还增加了冷却工质流动的贮存时间，实现对近壁面9和外壁面10换热效果显著增强。

针对变马赫数型线风洞高温喷管壁的轴向温度分布，扰流柱区Ⅱ设置在内外壁喷管喉口高温部分进行冷却，短肋区Ⅰ、长肋区Ⅲ设置在低温区域进行冷却；针对变马赫数型线风洞高温喷管壁的纵向温度分布，将短肋5、扰流柱6、长肋7进行不等间距排列，进行冷却；纵向温度较高区域，阵列间距较大，纵向温度较低区域，阵列间距较小，增大纵向高温区域的换热面积，减小纵向低温区域的换热面积，实现冷却工质的合理高效利用，增加冷却收益。

针对变马赫数型线风洞高温喷管壁变马赫数型线变化后温度分布变化产生的不同冷却需求，变换短肋区Ⅰ、扰流柱区Ⅱ、长肋区Ⅲ的位置以及短肋5、扰流柱6、长肋7类型；由于型线变化后，变马赫数型线风洞高温喷管的型线的近壁面9和外壁面10轴向温度不均，型线两端温度略低，短肋区Ⅰ的短肋5和长肋区Ⅲ的长肋7阵列或错列排布进行冷却，增加了一定的换热面积；喉口位置温度最高，即两型线之间最短的垂直距离附近，扰流柱区Ⅱ的扰流柱6增强了对冷却工质的扰动，从而增加了来自不同流道冷却工质的掺混，还增加了冷却工质流动的贮存时间，实现对变马赫数型线风洞高温喷管近壁面9和外壁面10换热效果显著增强，达到均匀冷却，提高冷却效率的目的。

所述的短肋区Ⅰ的短肋5、扰流柱区Ⅱ的扰流柱6、长肋区Ⅲ的长肋7以母体进行阵列或错列排布。

所述的短肋区Ⅰ的短肋5、扰流柱区Ⅱ的扰流柱6、长肋区Ⅲ的长肋7进行阵列或错列排布，阵列之间距离至少保证冷却工质能够流动，根据与常温空气接触的外壁面10和与高速气流接触的近壁面9纵向温度分布变化，进行不等间距阵列或错列。

参照图3，所述的扰流柱区Ⅱ的扰流柱6为圆形、圆台、方形、方台、水滴形或反方向水滴形扰流柱。参照图4，所述的扰流柱区Ⅱ的扰流柱6呈阵列、错列排布。

参照图5，所述的短肋区Ⅰ的短肋5、长肋区Ⅲ的长肋7为方形、梯形、半圆形或三角形截面。参照图6，所述的短肋区Ⅰ的短肋5、长肋区Ⅲ的长肋7呈阵列、错列排布。

针对变马赫数型线风洞高温喷管的近壁面9和外壁面10更高温度条件，可以对通道内阵列型强化换热冷却结构的短肋区Ⅰ的短肋5、扰流柱区Ⅱ的扰流柱6、长肋区Ⅲ的长肋7进行变换，将短肋5或长肋7改为梯形、半圆形、三角形截面，将扰流柱6改为圆台、方形、方台、水滴形、反方向水滴形截面；根据与常温空气接触的外壁面10和与高速气流接触的近壁面9不同温度分布变化产生的冷却需要，设置能够满足冷却需求的短肋区Ⅰ、扰流柱区Ⅱ、长肋区Ⅲ，增加对流换热面积，增加冷却工质流动的贮存时间，还增强对冷却工质的扰动从而增加来自不同流道冷却工质的掺混，实现在不同温度条件下对冷却结构进行适应性调整变换，应用范围广泛。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构，包括冷却板，冷却板外侧为与常温空气接触的外壁面(10)，冷却板内侧为与高速气流接触的近壁面(9)，冷却板两端为支撑结构的侧壁(8)，外壁面(10)、近壁面(9)和侧壁(8)构成冷却通道，其特征在于：冷却通道分为短肋区(Ⅰ)、扰流柱区(Ⅱ)和长肋区(Ⅲ)，短肋区(Ⅰ)由多个短肋(5)按照阵列或错列排布而成，短肋区(Ⅰ)入口即为冷却工质入口端(3)，短肋区(Ⅰ)出口和扰流柱区(Ⅱ)入口边相通，扰流柱区(Ⅱ)由多个扰流柱(6)按照阵列或错列排布而成，扰流柱区(Ⅱ)出口边和长肋区(Ⅲ)入口相通，长肋区(Ⅲ)由多个长肋(7)按照阵列或错列排布而成，长肋区(Ⅲ)出口即为冷却工质出口端(4)。

2.根据权利要求1所述的一种变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构，其特征在于：针对变马赫数型线风洞高温喷管壁的轴向温度分布，扰流柱区(Ⅱ)设置在内外壁喷管喉口高温部分进行冷却，短肋区(Ⅰ)、长肋区(Ⅲ)设置在低温区域进行冷却；针对变马赫数型线风洞高温喷管壁的纵向温度分布，将短肋(5)、扰流柱(6)、长肋(7)进行不等间距排列，进行冷却。

3.根据权利要求1所述的一种变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构，其特征在于：针对变马赫数型线风洞高温喷管壁变马赫数型线变化后温度分布变化产生的不同冷却需求，变换短肋区(Ⅰ)、扰流柱区(Ⅱ)、长肋区(Ⅲ)的位置以及短肋(5)、扰流柱(6)、长肋(7)类型。

4.根据权利要求1所述的一种变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构，其特征在于：所述的短肋区(Ⅰ)的短肋(5)、扰流柱区(Ⅱ)的扰流柱(6)、长肋区(Ⅲ)的长肋(7)以母体进行阵列或错列排布。

5.根据权利要求1所述的一种变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构，其特征在于：所述的短肋区(Ⅰ)的短肋(5)、扰流柱区(Ⅱ)的扰流柱(6)、长肋区(Ⅲ)的长肋(7)进行阵列或错列排布，阵列之间距离至少保证冷却工质能够流动，根据与常温空气接触的外壁面(10)和与高速气流接触的近壁面(9)纵向温度分布变化，进行不等间距阵列或错列。

6.根据权利要求1所述的一种变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构，其特征在于：所述的扰流柱区(Ⅱ)的扰流柱(6)为圆形、圆台、方形、方台、水滴形或反方向水滴形扰流柱。

7.根据权利要求1所述的一种变马赫数型线风洞高温喷管壁阵列型强化换热冷却结构，其特征在于：所述的短肋区(Ⅰ)的短肋(5)、长肋区(Ⅲ)的长肋(7)为方形、梯形、半圆形或三角形截面。