飞行器结构的热防护一直是高超声速飞行的关键性问题之一。当飞行马赫数大于6时,燃烧室内燃气总温可高达3000K对于这样的高温环境,热防护需要考虑以碳氢燃料为冷却剂的主动冷却系统,即在燃烧室固壁内构造冷却通道,导入冷却剂,利用小管道流动的对流换热机制,吸收壁内的热量,将壁温控制在一定范围内。同时,作为冷却剂的燃料吸热升温后将注入燃烧室燃烧,使其吸收的热量得以回收利用。
碳氢燃料的主动冷却是一个较复杂的流动、传热过程。在实际高超声速工况下涯力一般高于燃料的临界压力2. 2 MPa,燃料的吸热升温可以从常温一直到最高工作温度(约1000 K)。在此温度变化范围内,燃料将不再由液态经过两相区到达气态,而是由液态直接进入超临界态,继续升温后出现热裂解反应,进入裂解态。同时,燃料的吸热过程受到燃气主流、壁面材料以及冷却结构等多种因素的影响,是一个典型的流体、固体多耦合问题。其中,主要影响因素包括:(1)燃气的流动特征;(2)燃气的高温离解;(3)燃烧特性;(4)冷却剂的流动与换热特性;(5)冷却剂的高温热物理特性;(6)冷却通道的几何结构。因此,从数值计算的角度来看,进行全耦合的流动与传热计算,模拟上面提到的6种过程将是非常复杂的,并且需要大规模计算能力。目前,关于碳氢燃料主动冷却系统的多维、全耦合计算的相关研究很少。因此,为了配合工程设计需要,仲峰泉等基于煤油的超声速燃烧实验以及超临界态煤油传热实验,结合了用于研究气体高温离解作用的NASA CEA软件包和用于研究碳氢化合物高温热物理特性的NISTSupertrapp数据库,提出了流/固耦合的一维传热分析。该分析包括了上面提到的6个因素,可以对不同燃烧状态和冷却条件下煤油的主动冷却过程进行分析,给出热壁、冷壁和冷却剂温度的变化,以及壁面热流分布,为冷却结构设计提供参考数据。