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随着航空母舰舰载机的快速发展,先进的战机发动机喷射出来的气流温度和速度日益提高,为此,发展新型高效的挡热装置已成为舰载设备研发的一个重要课题。常规的导流板的热量传递仅仅依靠板材的导热将导致表面温度过高,已不能满足今后航空母舰的维护要求。本文提出了一种新型结构的导流板,该方案提出在导流板内嵌入多排成阵列布置的高导热性能热管,进而达到适应高温、高速气流作用下舰载导流板的使用要求。
为指导热管式导流板中热管选型,本文搭建了一套热管性能测试试验台,测试了烧结多孔金属芯铜-水热管和金属丝网热管(铜-水,铜-丙酮,铝-乙醇,铝-丙酮)的工作性能(包括传热能力和非稳态温度响应),进而为热管式导流板的设计和研制提供可靠的基础数据。试验表明:热管蒸发段和冷凝段的长度是影响热管传热能力的一个重要因素；在金属丝网热管中,铜-水金属丝网热管具有最为优越的传热能力,铝-乙醇金属丝网热管次之,铝-酮和铜-丙酮金属丝网热管性能均劣于前两者。
同时,本文建立了高温高速射流作用下水冷却条件下导流板内流动和传热的非稳态理论模型,数值研究了导流板(长为0.5m,宽为0.3m)经历慢车状态(温度167℃,流速265m／s)2.5s、过渡状态(温度554℃,流速645m／s)2.5s、全加力状态(温度1927℃,流速1020m／s)5s这样的高温高速射流冲刷作用,随后撤除射流作用过程中导流板的热响应性能。分析比较了四种不同设计方案导流板的热响应性能,探讨了冷却水流速度对硬铝嵌入热管式导流板热响应性能的影响。研究表明:
(1)在纯硬铝式导流板、硬铝嵌入热管式导流板、不锈钢式导流板、不锈钢嵌入热管式导流板这四种不同导流板设计方案中,硬铝嵌入热管的导流板的方案最有优势。热管的嵌入,能有效降低在射流作用下导流板受热面的最高温度,并且提高了射流撤去后导流板的热恢复性能。
(2)冷却水流量为1ton／h的工况下,在高温高速射流作用下的第10s,不锈钢式、不锈钢嵌入热管式、纯硬铝式和硬铝嵌入热管式这四种导流板的受热面最高温度将分别达到709℃、537℃、585℃、498℃,撤除射流作用20s后,其表面最高温度将分别降至208℃、155℃、128℃、105℃。
(3)冷却水流速对导流板在高温高速热源作用期间的最高温度几乎没有影响,但对于导流板的热恢复性能有较大影响。对于硬铝嵌入热管式导流板,在冷却水流量为1ton／h、2ton／h、3ton／h、4ton／h的工况下,在高温高速热源作用10s后表面最高温度都将达到498℃左右,撤除射流作用20s后,其表面最高温度将分别降至105℃、97℃、89℃、76℃。