发汗冷却液-气相变动态过程机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51806206
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    27.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0603.传热传质学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Hypersonic vehicles experience huge aerodynamic heat when travelling at high speed, resulting extremely high heat flux onto the leading edge that exceeds the performance of current systems and up-to-date material limits. Under the requirement of developing innovative and effective thermal protection system to protect the vehicle’s interior, this project will carry out research on the theoretical model, numerical approach and experimental techniques for the transient process of transpiration cooling with liquid-vapor phase change. In this project, the mathematical model for the transient process of transpiration cooling with phase change under time-varying external heat and force loads is established via an interface-capturing method, and self-compiled algorithm is coherently embedded into commercial software to achieve the accurate simulation and computation. Mechanism and dynamic characteristic experiments are then designed and conducted to verify the mathematical model and numerical approach, to study the fluid flow/ heat transfer/ phase change characteristics of liquid coolant within porous matrix, and to analyze the comprehensive performance and efficiency of transpiration cooling structure. The proposed project is aimed at revealing the dynamic transition of liquid coolant phase change in the porous matrix and the time-varying property of fluid-solid conjugated heat transfer, and finally yielding an optimization scheme of the transpiration cooling structure by which the precise injection of liquid coolant according the spatial and temporal distributions of external thermal and force load could be realized. The research output of the proposed project will be of great significance to the improvement of mechanism investigation on the liquid-vapor phase change transition in microstructure, and lay the foundation for the engineering application of transpiration cooling technique as the thermal protection system on the hypersonic vehicles.
针对承受极高热载荷的新型高超声速飞行器尖化前缘对先进高效主动热防护系统的需求,本项目将开展具有工质相变(液-气)的发汗冷却瞬态问题的理论模型、数值方法及实验技术研究。通过相变界面追踪的方法建立时变气动热/力载荷下相变发汗冷却瞬态过程的数学模型,采用源代码编译与商业计算软件相结合的方式实现数值模拟,并进行液态冷却工质在多孔骨架内的流动/传热/相变机理实验和前缘结构发汗冷却特性实验,对瞬态形式的数学模型和数值方法验证并分析结构综合冷却效果,以期揭示多孔结构内液态工质相态演变规律和随时间变化的流-固耦合传热机制,提出冷却工质高精度(定位/定量/定时)注射的发汗冷却结构的优化方案。项目研究成果将对微结构内液-气相态演变机制的阐明和完善有重要意义,为液体相变发汗冷却技术在高超声速飞行器热防护系统上的工程化应用奠定基础。

结项摘要

发汗冷却作为一种效率极高的新型主动冷却技术,有望突破临近空间飞行器高热部位的热防护瓶颈,然而其所涉及的多孔结构内液体相变过程热力耦合特性非常复杂,给结构设计和主动控制带来难题。本项目围绕具有液-气相变的发汗冷却的瞬态问题开展了一系列基础理论和实验研究,主要包括:1)对公开研究中的多种数学模型和边界条件的准确性和普适性进行了鉴别,对剧烈液-气相变导致的流固耦合传热非平衡现象进行了定量分析;2)建立了瞬态形式的半混合模型,自编程序对多种时变热载荷下发汗冷却瞬时响应进行了预测,分析并比较了两种冷却剂注入方式(定压和定量)下发汗冷却系统的稳定性,发现了特有的瞬态传热恶化和气堵现象;3)开展了液态水在多孔骨架内相变传热实验研究,发现了系统热响应延迟效应和在特定条件下的非稳定波动新现象,提出了两个解决途径——对液态水改性和固化,创新性研发了丙二醇改性水溶液和固态水凝胶发汗冷却,提出的新冷却机制和概念存在广阔的研究和应用前景;4)通过源代码编译嵌入商业计算软件,实现了外部气动环境-复杂发汗冷却结构的耦合建模和数值模拟,揭示了液态冷却工质从储存腔到飞行器表面的相态演变和输运特性,评估了外部气动环境对结构综合冷却性能的影响,发现并量化表征了液态工质吸热相变引起的非线性渗流力学特性;5)根据外界热/力载荷的时空分布设计了一系列发汗冷却优化方案,如解决前缘驻点冷却不足的气膜-发汗双层壁结构和凹腔-发汗复合结构、及针对激波干扰局部高热区的梯度孔隙率和冷却剂分腔设计,明确了液体相变发汗冷却作为极高热流密度下轻质热防护结构的工程应用价值和可行性。项目迄今发表论文19篇,其中SCI论文10篇、EI论文7篇;授权发明专利1项;培养毕业博士生1人、硕士生2人。

项目成果

期刊论文数量(16)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(3)
专利数量(0)
An experimental investigation on transpiration cooling performances using solid hydrogel as coolant
使用固体水凝胶作为冷却剂的蒸腾冷却性能的实验研究
  • DOI:
    10.1016/j.applthermaleng.2019.113753
  • 发表时间:
    2019-07
  • 期刊:
    Applied Thermal Engineering
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Qian Kang;Wang Jianhua;He Fei;Wu Yadong;Zhou Zihe
  • 通讯作者:
    Zhou Zihe
Model comparison, thermal nonequilibrium characteristic and boundary conditions discussion of two-phase flow with phase change in porous media
多孔介质相变两相流模型比较、热非平衡特性及边界条件讨论
  • DOI:
    10.1080/10407790.2019.1642708
  • 发表时间:
    2019-07-19
  • 期刊:
    NUMERICAL HEAT TRANSFER PART B-FUNDAMENTALS
  • 影响因子:
    1
  • 作者:
    He, Fei;Wang, Jianhua;Wu, Nan
  • 通讯作者:
    Wu, Nan
Numerical investigation on the effects of porous cone parameters on liquid transpiration cooling performance
多孔锥参数对液体蒸腾冷却性能影响的数值研究
  • DOI:
    10.1016/j.ijthermalsci.2020.106743
  • 发表时间:
    2021-03
  • 期刊:
    International Journal of Thermal Sciences
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    Su Hao;He Fei;Wang Jianhua;Luo Xiaoguang;Ai Bangcheng
  • 通讯作者:
    Ai Bangcheng
Experimental investigation on transpiration cooling using propylene glycol aqueous solution
丙二醇水溶液蒸腾冷却实验研究
  • DOI:
    10.1016/j.ijthermalsci.2021.106890
  • 发表时间:
    2021-06
  • 期刊:
    International Journal of Thermal Sciences
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    Fei He;Nan Wu;Zihe Zhou;Jianhua Wang
  • 通讯作者:
    Jianhua Wang
Numerical investigation on the transpiration cooling of three-dimensional hypersonic inlet
三维高超声速入口蒸发冷却数值研究
  • DOI:
    10.1016/j.ast.2020.106152
  • 发表时间:
    2020-08
  • 期刊:
    Aerospace Science and Technology
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Fei He;Nan Wu;Fangyuan Ran;Jianhua Wang
  • 通讯作者:
    Jianhua Wang

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其他文献

酵母菌Y48对活性黑KN-B的脱色研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    环境化学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈曦;余志晟;贺菲;张洪勋
  • 通讯作者:
    张洪勋

其他文献

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贺菲的其他基金

基于非均匀孔隙分布多孔结构的液-气相变发汗冷却研究
  • 批准号:
    52376154
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    51 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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