[发明专利]独立式两相流喷雾冷却系统及其喷雾方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种独立式两相流喷雾冷却系统及其喷雾方法，属飞行器热控制技术领域。

背景技术

对于高超音速飞行器，其蒙皮表面的温度可高达1000℃以上^[1]。目前主要采用高效隔热技术或者耐高温金属来适应蒙皮表面的高温环境^[2]。但某些特殊表面有温控要求时，必须采用有效的冷却技术来保障。

喷雾冷却是指液体工质在压力驱动下，通过雾化喷嘴或者雾化装置强制雾化成为微米级的液滴后被强制喷射到冷却介质表面实现冷却的过程^[3]。喷雾冷却具有换热性能好、换热温差小以及冷却介质需求量低等特点^[4]。喷雾冷却技术分为：(1)单相喷雾冷却。该技术通过液体泵使液体产生压力后，通过单相喷嘴喷射出液体^[5]；(2)两相喷雾冷却。该技术借助于高压压缩空气(4个大气压)，采用两相喷嘴，气液汇合后由喷嘴喷射成雾状射流^[6]。

喷雾冷却喷出的液体多与被冷却界面直接接触，对于高超音速飞行器中气动性能要求高的表面，直接式喷雾冷却技术会破坏气动表面的流场，需要将喷雾引入夹层内通道，以实现气动表面的温控需求。对于采用高压压缩空气的两相喷雾技术，压缩空气的气源装置体积庞大，不适用于飞行器。而二氧化碳较易实现液态储存，相比压缩空气具有质量轻体积小的优势。

参考文献

[1]张纯学，晗旭.可负担的远程精确打击高超声速导弹[J].飞航导弹.2006(12).6

[2]杨炳渊.超高速防空导弹结构防热技术.上海航天.2002年第4期

[3]刘炅辉，李梦京，刘秀芳，侯予.以R22为冷却剂的闭式循环相变喷雾冷却实验研究[J].西安交通大学学报.2013(47):132-136

[4]钟昕，刘秀芳，赵红利，胡伟，侯予，相变喷雾冷却技术的研究进展[J]，低温工程，2011(2):34-38

[5]王军利，喷雾冷却实验研究与分析，西安电子科技大学，2009

[6]刘锡录，张耀良，闫通海，喷雾冷却装置技术性能的试验研究，现代机械，1994年9月

发明内容

本发明提出一种独立式两相流喷雾冷却系统及其喷雾方法，以液态二氧化碳作为高压动力源，节流降压后成为二氧化碳气体。二氧化碳气体一路流入喷雾冷却系统的气路系统，为喷雾后的液相工质流入被冷却表面的夹层冷却通道提供前进动力；另一路为液路系统中储液罐加压，加压后的高压液体经单相喷嘴喷出后形成细小的雾化颗粒。混合后的两相流喷雾被引入飞行器夹层内冷却通道，在不破坏气动表面流场的前提下，实现气动表面的温控需求。

两相流喷雾冷却系统包括CO₂气路系统和水路系统两部分。CO₂气路系统由气瓶保温装置，CO₂气瓶，CO₂减压器，温度调节装置，气路精密减压器，涡街流量计组成；水路系统由水路精密减压器，水罐，单相喷嘴组成。

CO₂气路系统具有供气、调压、调节气相流量等功能，通过气路精密减压器的作用实现气流流量的控制，并保证供气流量稳定。气瓶保温装置可以保证CO₂流量稳定的从气瓶中排出；CO₂减压器采用控制阀体内的启闭件开度来调节CO₂流量，并将CO₂的压力降低；CO₂从气瓶排出过程膨胀降温，导致CO₂温度剧烈降低，温度调节装置对CO₂进行预热，使其到达喷嘴位置时，温度在0℃以上防止雾化水结冰堵塞管路；通过调节气路精密减压器出口压力，可与管路出口形成不同压差值，从而得到不同气体流量值；涡街流量计用于实时监测CO₂流量。

水路系统从CO₂气瓶引气对水罐加压，由于单相喷嘴流量与水压呈对应关系，通过水路精密减压器精确调节水罐内压力，从而控制喷水流量。

本发明的优点在于：

(1)系统所选用CO₂作为气相工质，安全性好，无毒无害。且CO₂液化后存储装置体积小巧，适用于飞行器特殊的应用环境。

(2)水罐压力可由气态二氧化碳供给实现任意调节，保证了装置的独立性。

(3)所选用单相喷嘴结构简单，体积小巧，适用于对于尺寸空间要求苛刻的飞行器环境。