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