关键词 : 气体引射效应 ；气动热 。激波风洞；测热试验
引 言
树脂基烧蚀类热防护材料具有价格低廉、耐烧 蚀、抗热震、成型面积大、工艺周期短、加工性能 好等优点 ，广泛应用于弹道导弹弹头、飞船及返回 式卫星等再入飞行器的热防护。 近年来 ，随着材料 技术的飞速发展 ，通过纤维织物及树脂基体的改性和微结构设计、非均匀密度的梯度功能结构设计、 表面高温可陶瓷化设计等手段 ，可以在减小烧蚀材 料热导率及密度的同时提高材料的抗剪切和耐烧 蚀性能 ，显著提高树脂基复合材料的防隔热一体化 综合性能 ，基本能够满足长时间临近空间高速飞行 器大面积区域的近零/微烧蚀热防护需求 ，目前树脂基复合材料已经成为临近空间高速飞行器大面 积区域热防护的重要备选材料之一 [１￣３]。
高速气动加热作用下树脂基复合材料的氧化 烧蚀是多场耦合的复杂物理化学过程[４￣７] ，材料内 部达到一定温度后产生热解现象 ，并从材料内部溢 出到近壁面区域 ，形成高速引射气体效应 ，在影响 高焓边界层演化发展规律的同时减小气动加热 ，从 而对热防护系统形成良好的保护作用[８￣ １４]。
热阻塞效应是树脂基烧蚀材料主要的防隔热 机理之一 ，国内外针对树脂基材料烧蚀过程的很大 一部分工作主要集中在热阻塞效应的理论分析和 实验研究上。 Ｍｉｃｋｌｅｙ 等[１５] 经过理论分析得出了低 速流动条件下引射气体边界层的无量纲摩擦系数 以及传热系数理论关系式 。Ｍｏｆｆａｔ 等 [１６] ，Ａｎｄｅｒｓｅｎ 等 [１７]对低速湍流平板气体引射过程进行了系统的 实验研究 ，并在很大范围内考虑了注入率、抽吸率 以及压力梯度等影响 ，实验结果表明 Ｍｉｃｋｌｅｙ 等提 出的无量纲传热系数理论预测关系式与实验数据 符合得很好 。之后 Ｋａｙｓ 等[１８] 进一步分析了当注入 的冷却介质与主流流体为不同气体时两者物性差 异对壁面摩擦阻力和冷却效果的影响 ，结果表明异 质气体发散冷却会明显改变无量纲传热系数分布 ，当主流流体为空气 ，引射气体分别为氢气和氦气 时 ，考虑物性变化的无量纲传热系数要比常物性的 小 得 多。 Ｋｕｈｎ 等 [１９] 、 Ｇüｌｈａｎ 等 [２０] 与 Ｌａｎｇｅｎｅｒ 等 [２１￣２２] 针对超声速主流条件下不同引射气体对壁 面冷却效果的影响开展了实验研究 ，结果表明 ，对 于气态引射介质来说 ，比热容 Ｃｐ 是冷却效率的决 定性因素 ，比热容越大 ，冷却效果越好。 Ｓｒｅｅｋａｎｔｈ 等 [２３]对 Ｍａ＝６ ~ １０ 高速主流条件下的平板及钝体 头锥主动冷却进行了数值计算 ，结果表明注入对主 流压力的影响并不大 ，二次流的注入会降低壁面摩 擦系数。 Ｙａｎｇ 等[２４] 开展了高速来流层流和湍流不 同流态下平板在不同射流率下的数值研究 ，结果表 明 ，高速层流流动下喷流冷却是对壁面进行热防护 的有效方法 ，并且说明了边界层是由两部分组成 ，其内层 起 着 绝 热 壁 面 作 用。 聂 春 生 等[２５] 、袁 野 等 [２６] 开展了主动引射对翼舵干扰区气动加热影响 的测热实验研究 ，获取了引射气体 Ｍａｃｈ 数和压力 对降 热 效 果 的 影 响 规 律。 卞 荫 贵 等[２７] 总 结 了 Ｍａｒｖｉｎ 等[２８] 、Ｌｕｎｄｅｌｉ 等[２９] 、Ｐｕｔｚ 等[３０] 针对典型烧 蚀材料的质量引射对热阻塞效应的影响规律 ，给出 了相应条件下壁面传热系数随引射参数和气体分子量变化的经验关联式 ，结果表明不同经验关联式 得到的传热系数差异很大 ，说明了引射气体效应影 响因素的复杂性。
以往关于质量引射降热减阻研究多局限于全 湍流状态 ，对于引射效应对不同流态边界层降热效 果影响的关注较少。 本文基于激波风洞试验设备 ，开展气体引射对气动加热影响的测热试验研究 ，基 于高精度测热试验手段 ，获得不同引射气体类型/ 流量、主流 Ｍａｃｈ 数 、Ｒｅｙｎｏｌｄｓ 数等因素对气动加 热的影响量 ，并总结了不同边界层流态条件下气体 引射对气动加热影响的无量纲关联式 ，给出热阻塞 效应的关键影响参数 ，揭示高速引射气体边界层的 降热减阻机制。
１ 试验方法
本项测 热 试 验 在 中 国 科 学 院 力 学 研 究 所 的 ＪＦ８Ａ 激波风洞[３１] 中进行。 图 １ 给出了整体试验模 型示意图 ，其中试验件为二维平面压缩拐角 ，压缩 拐角 前 平 板 长 度 为 ６００ ｍｍ ，后 面 拐 角 长 度 为 ４００ ｍｍ ，通过角度块来调整压缩拐角的角度 。为了 模拟热解气体引射至边界层内所带来的热阻塞效 应 ，将试验模型壁面的部分区域替换为多孔介质材 料 ，其中多孔板采用镍基合金纤维多孔金属材料 ，材料密度为 ４ .９４ ｇ/ｃｍ３ ，孔隙率为 ０.２６３ ，渗透率为 １ .２５×１０－１２ ｍ ２ ，材料微观孔隙尺度约为 １００ μｍ。 采 用喷流系统将不同类型、不同流量的冷却气体渗透 过多孔介质壁面 ，分散注入到壁面边界层。 多孔金 属板长 ５０ ｍｍ ，布置在距前缘 ２００ ｍｍ 的平板上 ，并采用橡胶垫圈进行密封处理。多孔金属板下方为 冷气腔室 ，高压冷却介质注入到腔室内 ，并通过多 孔材料注入到高速边界层内部 。为了防止冷气直接 注入到腔室内带来显著的非定常效应 ，冷却介质腔 室用多孔金属板进行隔离处理。
为了掌握冷却介质引射效应对壁面热流的影 响规律 ，在多孔金属板的上/下游 、压缩拐角等区域布置多个柱状薄膜热流传感器。 测热试验来流 状态见表 １ ，其中试验来流 Ｍａｃｈ 数分别为 ６ 和 ８ ，引射气体介质选用 ａｉｒ ，ＣＯ２ ，ＣＨ４ ，Ｈｅ 等。
２ 数值模拟方法
考虑异质气体引射的可压缩流场控制方程为
其中 ，ρｓ ，Ｙｓ 分别为组分 ｓ 的密度和质量分数 。Ｄｓ 为组分 ｓ 的扩散系数 。τｉｊ为剪应力张量 。Ｅ ，Ｈ 分别 为单位质量混合气体的总能及总焓 。κ 为混合气体 热导率。
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６ 结论
基于激波风洞试验设备 ，开展了不同气体引射 对下游气动加热影响的测热试验研究 ，基于高精度 测热试验手段 ，获得了不同引射气体及其流量 、主 流 Ｍａｃｈ 数 、Ｒｅｙｎｏｌｄｓ 数等因素对气动加热的影响 量 ，结合数值模拟分析 ，总结出不同边界层流态条 件下气体引射对气动加热影响的无量纲关联式 ，得 出了以下主要结论。
１) Ｍａ＝６ 来流状态下平板表面边界层为湍流 状态 ，由于湍流边界层的强掺混特性 ，引射气体的 降热减阻效果比较差 ，需要较高引射吹风比来保证 壁面冷却效率。
２) Ｍａ＝８ 来流条件下平板表面边界层为转捩 状态 ，引射气体注入到层流边界层之后 ，高温主流 边界层发生转捩 ，由于湍流边界层的强掺混特性 ，引射孔后平板表面的层流边界层的冷却效果很好 ，边界层转捩后湍流区域的冷却效率急剧减小。
３) 不同引射气体对壁面降热效果有显著影响 ，其中相同吹风比条件下的冷却效率排名为 : Ｈ ２ > Ｈｅ>ａｉｒ＝Ｎ２ >ＣＯ２ ，与气体的比热容排名基本一致 ，这是由于冷却气体比热容越大 ，相同质量流量条件 下相同的温升所能带走的热量越多 ，相应的冷却效 果更好。
４) 采用 Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ[３３] 针对高速湍流边界层提出 的关联因子 ξｔ ( Ｃｐ ꎬｅ / Ｃｐ ꎬｃ ) ０.７５ 能够较好地关联不同吹 风比 条 件 下 的 壁 面 冷 却 效 率 数 据 。采 用 Ｈｅｕｆｅｒ 等 [３４] 针对高速层流边界层提出了层流关联因子 ξｌ ( Ｃｐ ꎬｅ / Ｃｐ ꎬｃ ) ０.７５ 能够较好地关联引射孔下游层流区 域的壁面冷却效果。
参考文献 略
