发汗冷却用镍基泡沫孔隙尺度流动传热特性研究

周欣蕾; 张超; 张宏明; 张红军; 杨肖峰; 曾磊; 肖光明

doi:10.3969/j.issn.1000-1158.2025.04.08

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计量学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (4) : 518-527. DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2025.04.08

热学计量

发汗冷却用镍基泡沫孔隙尺度流动传热特性研究

周欣蕾 ¹ ,
张超 ¹ ,
张宏明 ¹ ,
张红军 ² ,
杨肖峰 ¹ ,
曾磊 ¹ ,
肖光明 ¹

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Study on Pore Scale Flow and Heat Transfer Characteristics of Nickel-based Foam for Transpiration Cooling

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摘要

以发汗冷却用镍基合金泡沫为研究对象，采用X-CT扫描技术重构获得其真实的微细观结构，基于多松弛格子玻尔兹曼方法（MRT-LBM），结合GPU加速技术，建立发汗冷却用镍基合金泡沫多孔材料的孔隙尺度导热-对流复合传热数值模拟方案。以空气为冷却介质，重点分析镍基合金泡沫在不同雷诺数条件下的流动传热特性。结果表明，镍基合金泡沫的流动存在明显的达西区、过渡区和强惯性区，临界雷诺数为1.36×10^-1。并且，随着雷诺数的增大，虽然流动阻力增大，但传热效率也明显增强。在达西区，传热由导热主导，而过渡区与强惯性区则以强迫对流为主导。综合传热因子与雷诺数呈正相关，即增大雷诺数可有效提高泡沫结构的综合传热性能。研究获得的镍基合金泡沫流动与传热特性，为提高发汗冷却效率提供了一定的理论支撑。

Abstract

The study investigates nickel-based alloy foam for transpiration cooling， leveraging X-CT scanning technology to reconstruct its microstructures. Based on the multiple-relaxation lattice Boltzmann method （MRT-LBM）， combined with GPU acceleration technology， a numerical simulation method for the pore-scale heat conduction and convection compound heat transfer of nickel-based alloy foam porous materials for transpiration cooling is established. Air is used as the cooling medium， with a focus on analyzing the flow and heat transfer characteristics of the nickel-based alloy foam under different Reynolds numbers. The results delineate three distinct flow regimes： the Darcy regime， the Transitional regime， and the Forchheimer regime， with a critical Reynolds number identified at 1.36×10⁻¹. While an increase in Reynolds number elevates flow resistance， it concurrently enhances heat transfer efficiency. Heat transfer within the Darcy regime is predominantly governed by conduction， whereas forced convection dominates in the Transitional and Forchheimer regimes. The overall heat transfer factor is positively correlated with the Reynolds number， indicating that an increase in Reynolds number effectively improves comprehensive heat transfer performance of foam structure. The study on the flow and heat transfer characteristics of nickel-based foam provide theoretical support for enhancing transpiration cooling efficiency.

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周欣蕾, 张超, 张宏明, 等. 发汗冷却用镍基泡沫孔隙尺度流动传热特性研究[J]. 计量学报. 2025, 46(4): 518-527 https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2025.04.08

ZHOU Xinlei, ZHANG Chao, ZHANG Hongming, et al. Study on Pore Scale Flow and Heat Transfer Characteristics of Nickel-based Foam for Transpiration Cooling[J]. Acta Metrologica Sinica. 2025, 46(4): 518-527 https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2025.04.08

中图分类号： TB94 V211.3

参考文献

列表( 原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序 ) 可视化分析

1	陈忠灿，张凯，李枫，等. 发汗冷却技术在飞行器上的应用及展望［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 2024， 64（2）： 318-336. CHEN Z C， ZHANG K， LI F， et al. Application and Prospect of Sweating Cooling Technology in Aircraft ［J］ Journal of Tsinghua University （Natural Science Edition），2024， 64（2）： 318-336. 本文引用 [1]

2	梁伟，金华，孟松鹤，等. 高超声速飞行器新型热防护机制研究进展［J］. 宇航学报， 2021， 42（4）： 409-424. LIANG W， JIN H， MENG S H， et al. Research progress on new thermal protection mechanisms for hypersonic aircraft ［J］. Journal of Astronautics， 2021， 42（4）： 409-424. 本文引用 [1]

3	吉洪亮，张长瑞，曹英斌. 发汗冷却材料研究进展［J］. 材料导报， 2008， 22（1）： 1-3. JI H L， ZHANG C R， CAO Y B. Research progress on sweating cooling materials ［J］. Material Introduction， 2008， 22（1）： 1-3. 本文引用 [1]

4	HAN J， HONG C， ZHANG X， et al. Microstructural characterization and ablation mechanism of TiB2/（Cu，Ni） melt-infiltrated ceramic composite ［J］. Composites Science and Technology， 2007， 67（11-12）： 2231-2237. 本文引用 [1]

5	IFTI H S， HERMANNN T， MCGILVRAY M， et al. Flow Characterization of Porous Ultra-High-Temperature Ceramics for Transpiration Cooling ［J］. AIAA Journal， 2022， 60（5）： 3286-3297. 本文引用 [1]

6	IFTI H S， HERMANNN T， MCGILVRAY M. Flow Characterisation of Transpiring Porous Media for Hypersonic Vehicles ［C］//22nd AIAA International Space Planes and Hypersonics Systems and Technologies Conference. Orlando， US. 2018.10.2514 / 6.2018-5167. 本文引用 [1]

7	汪新智，马军军，彭稳根，等. 高超声速飞行器主动冷却系统优化设计［J］. 航空学报， 2014， 35（3）： 624-633. WANG X Z， MA J J， PENG W G， et al. Optimization Design of Active Cooling System for Hypersonic Aircraft ［J］. Journal of Aeronautics， 2014， 35（3）： 624-633. 本文引用 [1]

8	彭稳根. 高超声速飞行器金属结构热管热防护机制理论与模拟研究［D］. 哈尔滨；哈尔滨工业大学， 2011.

9	王蕾，沈剑，尚绍华. X-43A的分离系统［J］. 飞航导弹， 2007 （12）： 5-10. WANG L， SHEN J， SHANG S H. The separation system of X-43A ［J］. Aerial missile， 2007 （12）： 5-10. 本文引用 [1]

10	MATTHEW C， CHRISTOS S， ALAN C， et al. Coupled aerothermal-mechanical analysis in single crystal double wall transpiration cooled gas turbine blades with a large film hole density［J］. Applied Thermal Engineering， 2022， 219（11）： 119329. 本文引用 [1]

11	XIN C， RAO Z， YOU X， et al. Numerical investigation of vapor–liquid heat and mass transfer in porous media ［J］. Energy Conversion and Management， 2014， 78（2）： 1-7. 本文引用 [1]

12	LI Q， YU Y， LUO K H. Improved three-dimensional thermal multiphase lattice Boltzmann model for liquid-vapor phase change ［J］. Physical Review E， 2022， 105（2-2）： 025308-025308. 本文引用 [1]

13	PAN C， HILPERT M， MILLER C T. Lattice-Boltzmann simulation of two-phase flow in porous media ［J］. Water Resources Research， 2004， 40（1）： 62-74.

14	PARHAM P， MAJID S， HAMID M， et al. Pore-scale convection-conduction heat transfer and fluid flow in open-cell metal foams： A three-dimensional multiple-relaxation time lattice Boltzmann （MRT-LBM） solution ［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2021， 126： 105465. 本文引用 [1]

15	ZHANG Z H， SUN X C， WANG X， et al. Flow structure and heat transfer of transpiration cooling by using a LBM： The effects of wall blowing and spatially nonuniform injection ［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2021， 127（10）： 105491. 本文引用 [1]

16	冯晶森，闵敬春. 直通道内两相流动的格子玻尔兹曼方法模拟［J］. 物理学报， 2023， 72（8）： 194-204. FEN J S， MIN J C. Lattice Boltzmann simulation of two-phase flow in a straight channel［J］. Acta Physica Sinica， 2023， 72（8）： 194-204. 本文引用 [1]

17	D'HUMIERES D， COVENEY P V， SUCCI S， et al. Multiple-relaxation-time lattice Boltzmann models in three dimensions ［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A： Mathematical， Physical and Engineering Sciences， 2002， 360（1792）： 437-451. 本文引用 [1]

18	张超，孔祥壮，杜雁霞，等. 各向异性Kelvin泡沫胞元高径比对其流动传热特性的影响［J］. 空气动力学学报， 2024， 42（1）： 55-66. ZHANG C， KONG X Z， DU Y X， et al. Effect of cell height diameter ratio of anisotropic Kelvin foam on its flow and heat transfer characteristics ［J］. Journal of Aerodynamics， 2024， 42（1）： 55-66. 本文引用 [1]

19	DIETRICH B. Heat transfer coefficients for solid ceramic sponges-Experimental results and correlation［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2013， 61：627-637. 本文引用 [4]

20	邵宝力，王淑彦，田瑞超，等. 孔隙介质内流体渗流的三维格子Boltzmann模拟［J］. 高校化学工程学报， 2018， 32（5）： 1073-1081. SHAO B L， WANG S Y， TIAN R C， et al. Three dimensional lattice Boltzmann simulation of fluid flow in porous media ［J］. Journal of Chemical Engineering in Higher Education Institutions， 2018， 32（5）： 1073-1081. 本文引用 [1]

21	KONG X Z， ZHANG H M， DU Y X， et al. A study of pore scale flow and conjugate heat transfer characteristics in real and Kelvin anisotropic foams ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2024， 221（13）： 125024. 本文引用 [1]