收稿日期 :2010-09-20
作者简介 :李东辉 , 1971年出生 , 博士研究生 , 研究方向为高温热防护材料辐射特性及耦合传热等。
E -m a i :l l dh0086451@yahoo . co m. cn
计算材料学
多层高温隔热结构的传热特性
李东辉夏新林艾青
(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院 , 哈尔滨 150001
文摘建立了高温多层隔热结构传热计算模型 , 采用蒙特卡罗方法模拟每个半透明隔热材料层内的一维辐射传递 , 采用有限体积法对多层隔热结构辐射导热耦合换热能量方程进行求解 , 对多层隔热结构的瞬态传热及热响应进行了数值模拟分析 , 研究了反射屏个数等因素的影响。
结果表明 , 反射屏对多层结构隔热性能的影响取决于隔热材料的辐射特性与导热性能 , 当隔热材料衰减系数小时 , 将屏布置于高温区可提高隔热性能 , 当衰减系数大时 , 反射屏布置在低温区进行蓄热则更加有利。
关键词多层隔热结构 , 热辐射 , 导热 , 耦合传热
H eat T ransfer Characteristics ofH i gh Te mperatureMultilayerTher mal I nsulati ons
L i Donghu i X ia X inlin A iQ ing
(Schoo l of Energy Sc ience and Eng i neer i ng , H a rbin Insti tute o f T echno l ogy , H arbi n 150001
Abst ract H i g h te m perature mu ltilayer ther m a l i n sulations have w i d e app licati o n i n ther m al protection techno lo -gies for hyperson ic veh icles . Co m putati o
na lmode l of t h e heat transfer i n the m aterials w as estab li s hed by theM C M for t h e one di m ensional rad i a ti v e transfer in each se m itransparent i n su lation layer and by the FVM for the heat transfer of co m b i n ed radiation and conduction in t h e m u ltilayer m ater i a ls . The transient heat transfer and ther m al response o f the m ultilayer i n su l a ti o ns w ere num erically si m u lated and analyzed . Influenc i n g factors inc l
u d i n g screen numbers , screens layout , e m ittance etc w ere analyzed . Results ob tained sho w that bo th rad iati o n and conducti o n properties o f the insula -ti o n m aterial i n fluence t h e insulti n g perfor m ance of the mu ltilayer structure . Densely distributed fo ils in h i g h te m pera -ture zone can i m prove transient i n sulati n g perfor m ance w hen extincti o n coefficient of the insulation m aterial is relati v e -l y s m a l. l Other w ise fo ils i n lo w te m perature zone are preferred for i n sulati o ns w ith large exti n ction coeffic ient to i n -crease heat sto rage capability o f the m u ltilayer str ucture .
K ey w ords M u ltilayer ther m a l insulati o ns , Ther m al rad iation , H eat conduction , Coupled heat transfer 0 引言
隔热材料的多孔性通常使得其对热辐射具有半透明性 , 除利用粒子散射遮蔽热辐射传输外 , 还可将多个高反射率反射屏布置于辐射半透明的隔热材料内 , 以
形成多层隔热结构 , 如图 1所示 [1]。
轻质、高温多层隔热结构是高超声速飞行器热防护的关键材料技术之一 [2]
, 如在美国的 DAPP A Fa lcon 高超声速项目中 , 能够重复使用 50次以上的高
温多层隔热结构被列为验证飞行器 HTV -2、 HTV-3的热防护关键技术。
50多年来 , 对低温多层隔热结构传热特性进行
了大量研究。
与低温多层隔热结构不同 [3]
, 高温多层隔热结构的反射屏之间采用轻质隔热材料作间隔
物。
图 1 多层隔热结构示意图 [1]
F ig . 1 Schem ati c d i agra m o fm ultilayer ther m al i nsu l a tions
近年来 , 一些学者和机构针对热防护技术中的高
温多层隔热结构传热特性开展了研究。
如 S i e gel
[4]
:/. l . m 2011期
采用二流法分析了半透明和不透明层构成的复合平板瞬态传热。
Ka m ran [5]采用二流法与有限体积法数值模拟了高温多层各向同性散射纤维隔热材料的辐射-导热耦合传热。
M ar kus [1, 3]采用比例近似方法对多层隔热结构表观热导率进行
了试验与理论研究 , 重点研究了反射屏对降低表观当量热导率的作用。
闫长海 [6]基于表观当量热导率实验数据 , 采用二流法和遗传算法对纤维隔热材料的辐射衰减系数和反射屏发射率进行了反演。
西北工业大学等也开展了多层纤维隔热材料内传热特性的数值模拟研究 [7-8]。
本文以多层隔热结构为对象 , 采用蒙特卡罗法
结合有限体积法建立其内部辐射导热耦合传热模型 , 通过编制计算程序 , 数值模拟反射屏几何布局、辐射特性、热物性及发射率等因素对隔热性能的影响 , 分析多层隔热结构瞬态传热特性。
1 多层隔热结构传热计算模型
如图 1所示 , 每层隔热材料中的热量传递方式包括导热和热辐射 , 热辐射能投射到金属反射屏表面 , 一部分将会被反射回去 , 其余的转变为热能进入金属屏内部 , 通过金属屏的导热传递至金属屏另一侧。
对其中的任何一层 , 其控制方程都可统一表示为 :
L L t =
x
L T +S L , L [1, N ](1
式中 , L 、 c L 、 L 分别为第 L 层的密度、比热容、热导率 , S L 为第 L 层
的辐射换热源项 , t 为时间变量。
对隔热材料层 , 该层源项根据辐射传热计算获得 , 对金属屏 , 源项等于 0。
对隔热材料高温面 , 考虑第一类边界条件 , 低温面考虑绝热条件 :
T (x,t
x=0
=0, t >0(2 T (x,t x=H=T w , t >0(3 式中 , T w 为多层结构高温面温度 , H 为多层
结构总厚度。
初始温度均匀 :
T (x, 0 =T 0, x [0, H ](4 金属屏表面是不透明界面 , 按漫反射界面处理 , 层间界面满足如下连续条件 :
T x=x
s -0
=
x =x s 0
(5
-
m
T
x =x s
=- s
eq
x=x s
+q r (6
式中 , x s 为界面坐标 , m 为金属屏热导率 , s eq 为隔热材
料热导率 , q r 为界面处沿 x 方向的辐射热流密度。
2 数值计算方法与验证
多层隔热结构中 , 不同层材料的热物理性参数随
温度变化 , 隔热材料内存在非均匀辐射源项 , 金属层
内没有辐射源项。
采用内节点法依次在每层内生成
网格 , 然后组合成一个整体网格系统。
对每层隔热材
料 , 采用 MC M 方法求解辐射传递因子
, 多层隔热结
构内温度场采用全场整体求解方法 , 采用 TD MA 算法求解离散代数方程组。
采用文献 [3]中的算例进行多层隔热结构瞬态耦合传热数值方法与计算程序的验证。
验证算例中的多层隔热结构如图 2所示 , 内部具有 5个反射屏 , 加热面为时变温度边界条件。
本文的计算结果及与文献 [3]的对比见图 3。
可
以看出两者符合很好 , 说明本文的多层隔热结构瞬态耦合传热数值方法与计算程序的可靠性。
图 2 算例验证中的 M T I 示意图
F ig . 2 Sche m atic d i agra m o fM T I i n case st udy
图 3 多层绝热材料传热结果验证
F ig . 3 V erificati on on hea t transfe r resu lts for M T I
3 多层隔热结构瞬态热特性的模拟分析
相关参数如下 :多层结构总厚度 20mm 、初始温度 303K 、过程开始后高温面温度为 1273K, 隔热材料密度 220kg /m3、比热容 1050J/(kg K 、热导率 20-40m W / (m K, 衰减系数 29100/m、散射反照率 0. 96、各向同性散射 ; 金属反射屏密
度 8000kg /m3、热导率 100W /(m K 、比热容 500J/(kg K, 反射屏表面发射率 0. 15。
3. 1 反射屏数目的影响
在多层隔热结构总厚度不变反射屏均匀分布时 , 数值模拟了反射屏个数的影响。
图 4给出了 2000s 时非加热面温度计算结果 , 屏厚度取 0 1mm, 隔热材料热导率取 30m W /(m K 。
可以看出 , 随金属反射屏数目增加 , 绝热面温度先降低后增
加 , 存在最佳反射屏个数。
隔热材料的衰减系数影响隔热效果 , 但对最佳反射屏个数的影响很小 ; 当隔热材料的衰减系数从 29100降低到 291/m时 , 最佳反射屏个数在 95-98变化 , 2000s 时的绝热面温度降低不超过 5K 。
该结果说明在强散射条件21 htt . 1
下 , 增大隔热材料的衰减系数反而不
利于结构隔热。
图 4 反射屏个数对 2000s 时非加热面温度响应的影响 F ig . 4 In fluence o f screen nu mber on te m pe rature response
at ti m e of 2000s
3. 2 反射屏布局的影响
考虑金属屏间距按照指数规律变化的布局方式 , 参见图 5所示的坐标系 , 坐标原点定义在绝热面处 , 正方向指向高温加热面。
如果第 i 个金属屏的高温界面坐标为 x i , 则
x i = met +H -
N -
(7 式中 , met 为单层反射屏厚度 , N 为反射屏总数 , 为反映反射屏间距按指数规律变化程度的参数 , 这里称布局指数。
>1, 表示反射屏在低温区逐渐加密 ; =1
, 表示反射屏均匀分布 ; <1, 表示反射屏在高温区逐渐加密布置。
图 5 反射屏布局
F ig . 5 Sche m atic d i agra m for refl ec tion screen l ayout
图 6是布局指数对 2000s 时多层隔热结构内温度分布的影响 , 76个反射屏、反射屏厚度为 0. 1mm 。
图 6 布局指数对多层隔热结构内 2000s
时温度分布的影响 F i g . 6
Infl uence o f screen l ayout on temperature profile
i n M T I at ti m e of 2000s
可以看出 , 在低温区加密布置反射屏时 , 绝热面响
应温度低。
之后在 23个屏 , 衰减系数为 29. 1/m, 发射
率 0. 5的情况下 , 研究了反射屏布局对绝热面温度响应的影响 (图 7 。
可以看出 , 在隔热材料热导率较小时 (20-30mW /(m K , 金属反射屏在高温区加密布置 , 绝热面温度响应低。
在隔热材料热导率较大时 (50-70
mW /(m K, 金属反射屏在低温区加密布置 , 绝热面温度响应低。
图 7 隔热材料热导率对反射屏布局的影响 F i g . 7
Infl uence of t her m a l conducti v ity o f i nsulati on m a terial
on screen layout
=20mW /(m K; =30mW /(m K; =40m W /(m K;
=50m W /(m K; =60mW /(m K 。
3. 3 反射屏发射率的影响
在 76个金属反射屏均匀分布情况下 , 对金属屏发射率的影响进行了数值模拟 , 结果见图 8。
可以看出 , 金属反射屏发射率越小 , 绝热面温度响应越低 ,
这是因为反射屏发射率越小 , 表面辐射热阻越大 , 辐射传热越弱。
但对强衰减情况 , 反射屏发射率影响较小。
图 8 反射屏发射率对绝热面温度响应的影响 F i g. 8
Infl uence o f screen em ittance on te m pe ra t ure
response at ti m e o f 2000s
3. 4 反射屏体积比热容的影响
在 76个金属反射屏均匀分布情况下 , 数值模拟
了金属反射屏体积比热容对绝热面温度响应的影响 , 结果见图 9。
可以看出 :金属反射屏的体积比热容 c p 对绝热面温度响应影响很大 , 金属反射屏 c p 越大 , 绝热面温度响应越低 , 表明瞬态过程中金属反射屏的热惯性具有较大影响。
为了进一步研究金属反射屏比热容布置的影响 , 将金属反射屏按照总数平均分成数目相等的两部分 , 其中一部分均匀布置于高温区 , 另外一部分均匀布置于低温区 , 并设定其中一部
:/. l . m 2011期
分的密度与比热容分别等于隔热材料的 , 而改变另外一部份 , 按照实际金属反射屏的密度与比热容进行设定 ; 之后再将这样的配置在空间位置上对换 , 这样就形成两种配置比热容的方式 , 如果处于高温区的金属屏体积比热容是可以变化的 , 这种配置热容方式即在高温区配置比热容 , 相反则形成在低温区配置比热容的布置方式 (图 10 。
图 11给出了这两种配置比热容的方式对绝热面温度响应的影响 , 可以看出 , 在低
温区配置热容能够明显的降低绝热面的温度响应。
图 9 反射屏体积比热容对 2000s 时温度分布的影响
F ig . 9 In fluence o f screen vo l ume tr i c spec ific hea t on
te m perature profil e a t ti m e of 2000
s
(a
低温区蓄热
(b 高温区蓄热
图 10 比热容的两种配置方式
F i g . 10 Tw o types of confi gurati on for heat capac
ity
图 11 热容配置位置对绝热面 2000s
时温度响应的影响
F ig . 11
Infl uence of heat capac ity l ocation on temperat u re
response at ti m e o f 2000s
-热容配置于低温区 , -热容配置于高温区。
4 结论
(1 经与文献比较验证 , 本文编制的多层隔热结构辐射导热瞬态耦合传热计算程序正确可靠。
(2 多层隔热结构的瞬态隔热性能取决于结构的有效热导率和蓄热能力 , 金属
反射屏布局对多层结构隔热性能的影响取决于隔热材料的辐射特性与导热性能。
隔热材料辐射衰减系数小、散射弱时 , 将屏布置于高温区可提高多层结构的隔热
性能 ; 当隔热材料辐射衰减强或高温区反射屏数目较多时 , 增加反射屏数目对降
低结构的有效热导率作用不大 , 主要是增加蓄热能力 , 这时布置在低温区有利于提高多层结构的隔热性能。
(3 如果将金属反射屏的遮蔽热辐射作用与蓄热作用分离 , 为提高多层隔热结
构隔热性能 , 应在高温区布置反射屏 , 而在低温区采用大热容蓄热材料。
参考文献
[1]Sp i nnler M, Edgar R F, V i skan ta R. T heoretical studies o f h i gh -temperature mu ltil ayer ther m al i nsulati ons us i ng radiati on scali ng [J].Journa l o f Q uantitative Spectroscopy and R ad i a ti ve T ransfer , 2004, 84:477-491
[2]D av i d E G, R ay D, H arold C . M ater i a ls develop m ent for hypersonic fli ght veh i c les[C ].A I AA 2006-8122, 14th A I AA /AH I Space P lanes and H yperson i c Syste m s and T echno log ies Con -ference . 2006
[3]Sp i nnler M, W i n ter E R, V iskanta R. S t udies on h i gh -te m perature m ultilayer the r m al i nsulati ons[J].In ternati onal Jour -
nal of H eat and M ass T ransfer , 2004, 47(6/7:1305-1312
[4]S i ege lR. T ransient the r ma l ana l y si s f o r heati ng a trans -l ucen tw a llw it
h opaque rad iati on barriers[J].Journa l o fT her m o -physics and H eat T ransf e r , 1999, 13(3:277-284
[5]K a m ran D. Ther m a l ana l y si s and desi gn o f m ult-i l ayer
i nsu l a tion for re -entry aerodyna m ic hea ti ng [C ].A I AA 2001-2834, 35th A I AA T her m ophys i cs Con ference , 2001
[6]马忠辉 , 孙秦 , 王小军 , 等 . 热防护系统多层隔热结构传热分析及性能研究[J].宇航学报 , 2003, 24(5:543-546
[7]白丹 , 范绪箕 . 航天器金属热防护结构非灰体隔热层传热计算 [J].南京航空航天大学学报 , 2005, 37(4:403-407
[8]闫长海 , 孟松鹤 , 陈贵清 , 等 . 金属热防护系统多层隔热结构的稳态传热分析 [J].航空动力学报 , 2006, 21(5:800-804
(编辑
吴坚
23htt . 1。
