发汗冷却文献综述SY0915307 冯飞摘要：航天防热护技术是保证航天器在上升段和再人段的外部加热环境下不 至于发生过热和烧毁的一项关键技术，同时也是保证导弹在再入气动加热环境下 正常工作和保证火箭发动机在严重的内部加热环境下正常工作的一项关键技术 而随着航空航天技术的发展，常规的材料已经不能满足现代防热的要求为此除 了研制新型高温特殊材料外，从20世纪60年代初对材料采用相应冷却技术进行 了研究，以提高材料的使用温度，从而增加推重比和推进效率，使推进系统和燃 烧室承受更高的压力和温度目前国内外常见的冷却技术可以分为再生冷却、膜 冷却、辐射冷却、烧蚀冷却和发汗冷却等本文简要介绍了发汗冷却技术的基础, 在此之上着重对发汗冷却的理论模型，发展现状及发汗冷却材料的研究现状进行 了较为系统的论述关键词：热防护，发汗冷却，发汗冷却材料，理论模型1. 发展历史早在1948年M. Zucrow就提出用发汗冷却方法对液体火箭发动机的推力 室进行冷却保护，这一设想在早期的液氢液氧发动机的研制过程中进行了实验 这种冷却方式是使冷却剂以微小的量在受热壁面流出从而在受热壁而附近形成 一层隔热膜以阻隔高温燃气对金属壁面的加热。
理论分析表明它是一种经济高效 的冷却方式，近几十年来发汗冷却技术已在航空航天领域得到实际应用，科技工 作者们采用烧结的多孔材料实施发汗冷却热防解决了许多实际防热问题，比如飞 行器头锥，发动机，推力室，喷注器等，但采用烧结多孔介质进行发汗冷却存在 着致命的缺点，当受热面局部过热时，过热部位的冷却剂流动阻力增大，冷却剂 在此处的流量减小，进而会出现局部过热的扩大和恶化，因而会烧毁受热壁面这 限制了其在航空航天领域中的普遍应用为了解决多孔材料发汗冷却的这一缺陷Aerojet公司在20世纪60年代提 出了层板发汗冷却的概念这一思想与M. Zucrow提出的发汗冷却的区别在于 所用层板的厚度以及冷却剂流量的控制这两个方面前者采用比后者薄一到两个 数量级的金属薄板迭成层板，并由结构层板本身实现对冷却剂流量的精确控制, 典型的层板发汗冷却推力室如下图所示图1典型的层板发汗冷却推力室总结发汗冷却的发展过程，基本可分为两个阶段：a、 20世纪70年代以前主要研究多孔材料本身的性质，包括多孔材料物理 特性（如强度、空隙度、成型特性等）、流体流经多孔材料的流动特性、热传导 特性等，这些都属于基础性的研究b、 在多孔材料本身的性质已知的条件下，结合工程中不同的应用环境设计 出适用的发汗冷却部件U⑵。
2. 基本概念发汗冷却技术作为一种仿生技术，是利用生物为了生存对所处环境（温度） 进行自身调节的一种能力和技术发汗冷却材料就是材料处在高温环境下工作 时，通过自身“出汗”以降低材料本身的温度，进而达到热防护的目的与膜冷 却相比，发汗冷却有较大的优势，所需冷却剂很少，冷却剂注入壁面的速度很小, 所以对主流的扰动较小，由此产生的性能损失不犬与再生冷却相比，一方面它 可以产生比再生冷却更好的冷却效果；另一方面，由于冷却剂流速小，产生的压 降也相对较小，这可以大大提高燃烧室的室压，提高燃烧效率和整个发动机的性 能按发汗冷却的自发性分类，有自发汗冷却和强迫发汗冷却自发汗冷却多见 于粉末冶金材料制品，是通过加入基材内的低熔点金属粉末颗粒，在高温下气化 蒸发带走基材热量以达到材料降温的目的；强迫发汗冷却是一种复合冷却技术， 由发汗冷却和气膜冷却组成首先把材料制成多孔材料部件，在工作过程中液体 料在高压下从部件材料的“汗孔”渗出蒸发以带走部件基体的热量使部件降温, 以达到部件材料的冷却降温和保证部件不被高温烧蚀的目的按照发汗材料的结构又可以分为层板发汗冷却和多孔发汗冷却层板通常由 数十至数百片蚀刻有精确微细通道的超薄板片经有序叠合及扩散连接而成，其强 度特性优于传统的多孔材料，并可以避免传统多孔材料对“热点”敏感的缺点， 因而应用前景十分广阔⑶。
多孔发汗冷却是发汗剂流经多孔材料内部时，能够携 带内部热量，因而改变内部温度场，同时也能阻塞外部对受热体的加热，改变烧 蚀量；通过对冷却剂流量的调节，达到控制结构温度和表面烧蚀的目的3. 基本原理现在简单介绍一下一维、稳态、非热平衡发汗冷却的解如图2所示：冷却 介质以与热流相反的方向穿过多孔介质骨架中的微孔，在其高温表面形成一层均 匀的冷却介质膜，来抵抗外部高强度热流，从而保护骨架材料免受烧蚀通常， 在流体穿过多孔介质骨架中的微孔时，固体骨架和流体的温度是不同的，即：非 热平衡如果用数学方法来描述这种非热平衡的换热过程，需要同时求解多孔骨 架固体和冷却介质流体两个相互耦合的能量平衡方程由于这两个方程都是二阶 的微分方程，因此需要给定4个边界条件才能获得确定的解然而，固体骨架表 而与高温热流之间的对流换热边界条件的提法在学术界一直有争议，至今尚未有 一个公认的结论，因此成为非热平衡发汗冷却理论研究中的一个难题近年来，许多文献使用了热平衡假定：认为固体骨架结构与冷却介质流体具 有相同的温度，将两个二阶的偏微分方程合井为一个，从而使控制方程得到简化 这样处理的优点是不需要考虑微孔内两相的换热，仅需两个边界条件就可以求 解。
但是，又有人指出的：热平衡假定在迅速冷却或加热、高雷诺数、高孔隙率 等条件下是不成立的究竟在什么条件下热平衡假设是合理的，如何给出一个定 量的判据，是目前汗冷却理论研究中值得研究的课题为了避开非热平衡能量方 程边界条件提法上的困扰，同时定量讨论热平衡假设的应用范围，下面的推导在 忽略气态冷却介质在微孔流动中热传导作用的基础上，利用一维、稳态、非热平 衡发汗冷却数学模型的解析解，对热平衡和非热平衡的变化趋势进行了分析目 的是为发汗冷却理论研究者提供一个评估热平衡模型的参考方法和一个定量准 则3.1控制方程及边界条件物理模型如图2所示：图2冷却气体以流量m在储存舱温度7；接近骨架材料，以与热流相反的方向 进入微孔，与固体骨架组成一个反向换热器假设热物性变化可以忽略，则一维、 稳态、非热平衡发汗冷却的控制方程可以分别由流体的能量方程（1）和和固体 骨架的能量方程（2）来表示：d气•>dTf+ hsfasf(X - 7))= pcpf% — lx y(1)~d?(2)其中，灯=（1-）炒,七=电比较方程（1）和（2）可见：由于气体的导热系数远小于固体，方程（2）中的气体热传导可以忽略此时流体能量方程变为:禺"匚一7｝）= 〃七dTtdy(3)其中，m = pVf = const c这时方程（2）和（3）的求解只需要用3个边界条 件。
在冷端边界上，应用对流换热条件：y = 04（4"）=吵〃"一4）(4)如果认为，在边界上固体的热能损失应该等于气体的恰增量，则有:y = H顷一匚）=我•F在热端边界上，也用对流换热条件:y = H/xm,半dy引入无量纲长度和温度：(5)(6)y = ^,ye[o,uHT-T匚一4则控制方程（2）、（3）及边界条件（4）〜（6）化为:(7)Bi0—6f) = St&Y = Q,^ = MS0 dY sK = 0, % = St0s(8)(9)(10)y = (11)di其中，M =g/k睥为无量纲冷却气体质量流量，变化范围Mg (0,oo)； Bi = hMfHJk曙为孔内气体与固体之间换热Biot数，变化范围为应e(0,8)； Bih = hH / kse为固体热端边界与外部流体之间换热Biot数,相应的变化范围为 用* (0,8)； St = h. /mcpf 固体冷端边界上的Stanton数，其变化范围在SreLOJJo3.2解析解方程(7)和(8)是常微分方程，其解析解的通式为：1 1 2 3 (12)鸟=军"+ 犬23根据边界条件(9)〜(11),可求出待定参数，Bi工I顶、2 VM 土 J ( ) + 4Bl A幺2 =1 +兰站，K 2 = ，G =：，其中站(1,2,3) Bl 2 △3.3分析通过分析解析解的变化趋势，可以得出以下结论：(1) 、冷端边界上的Stanton数及热端边界上的Biot数町的变化不影响热 平衡假设的使用。
2) 、无量纲冷却介质流量M及孔内Biot数成是影响热平衡假设是否成 立的关键参数如果以热端边界上流体温度与固体温度的相对差小于5%作为判 断热平衡假设是否合理的定量准则，则由解析解给出的热乎衡准则为：M < O.223BZ0507(3) 、这是一个偏保守的热平衡准则，因为在微分方程的处理上，我们忽 略了气体在微孔中的热传导作用如果考虑这一项，真实热端边界上的流体温度%会略高于其解析解，因此热端边界上的两相温度将更加接近4）、影响发汗冷却效率的主要参数为：冷却介质流量M,孔内Biot数可 及热端边界上的Blot数发汗冷却效率随M与&.增大而提高；M较大时， 热端而上的冷却效率随成数的增大而迅速提高；M较小时，成的变化对冷却效 率的影响减弱而当增大时，原有条件下的发汗冷却效率降低4. 国内外研究现状发汗冷却技术作为一种非常有效的热防护技术，己经在火箭发动机热防护方 而受到越来越广泛的重视作为发汗冷却实现的物质载体，发汗冷却材料的研究 一直是发汗冷却研究的关键技术之一20世纪60年代以来，美国、德国等西方 发达国家相继开展了发汗冷却材料的研究，在材料体系的选择、制备工艺、性能 考核及应用上进行了卓有成效的研究工作，取得了不少有益的研究成果。
国内吴慧英等运用有限差分方法对层板发汗冷却推力室的壁温特性进行了 数值模拟，计算结果表明：层板有较好的热交换特性，在燃气温度相同情况下， 发汗冷却推力室承受的燃气温度可比膜冷却方式提高100摄氏度；燃气温度相同 时，发汗冷却推力室壁温较非发汗冷却降低50%,层板的壁温温度梯度集中在燃 气侧国防科技大学的刘伟强等描述了结构层板与冷却剂相互之间存在温差的发 汗冷却计算模型，导出了层板发汗冷却控制方程，由于冷却机理的类似，数学模 型与计算方法也适用于多孔材料等其他形式的热控制装置的发汗冷却研究4.1自发汗冷却材料自发汗冷却材料一般为粉末冶金制品，它由两部分组成：（1）作为基体材 料的高熔点相，如W、Mo及SiC、TiB、Z,出等陶瓷；（2）作为冷却剂的低熔 点相，如Cu . Al等目前，见诸文献报道的主要有W/Cu.Mo/Cu合金及TIB I Al 等，如文献［4］报道用冲击波制备了 TiB/Al材料，通过发动机的地面试车考核表 明高温下A/的挥发不但有效地起到了发汗冷却的作用，而旦在材料表面形成了 一层旦3和A/?膜，起到了保护基体的作用我国某研究单位采用粉末冶金的 方法制备了用于某型号火箭发动机W/Cu合金。
研究表明，W渗C〃的材料中 的熔点只有1083C, 0. \MPci下的蒸发点为2580C,在发动机的工作过程中， 通过0/的熔化和蒸发吸收了大量的热量，W骨架受到了良好的冷却作用，保证 了部件的正常工作E21但W/Cu.协/C〃等合金材料存在密度大、抗氧化性 能差、低温脆性和成本高等问题，在应用上受到一定的限制以SiC、TiB、ZrB 为高温相的陶瓷基自发汗材料越来越受到研究者的重视SiC、TiB、Z,8等陶 瓷具有低密度、耐高温、热稳定性好等优点，辅以低熔点的金属相，在其工作过 程中，通过低熔点金属的熔化和挥发吸收热量，使结构材料不在高温下发生烧毁, 而且其形状和大小保持不变，从而起到良好的热防护作用但由于陶瓷基自发汗 材料具有巨大的性能优势和良好的应用前景，一直是各国军工保密技术，相关的 。