Experimental Study on Heat Transfer Performance of Combined Channel-film Flow Control for Critical Regions of Hypersonic Vehicles

Resumo Técnico: Estudo Experimental sobre o Desempenho de Transferência de Calor de Controle Combinado de Fluxo de Canal-Filme para Regiões Críticas de Veículos Hipersônicos

Definição do Problema
Regiões críticas de veículos hipersônicos (Mach ≥ 5), como narizes de ogivas, bordos de ataque e superfícies de controle, enfrentam um aquecimento aerodinâmico severo caracterizado por ondas de choque fortes, compressão intensa e densidades de fluxo de calor que atingem o nível de MW/m². Esses ambientes induzem estruturas de fluxo complexas, incluindo ondas de choque bow (choque de proa), interações onda de choque/camada limite e separação/reattachamento local, que podem levar à falha térmica do material e à degradação do desempenho de guiagem. Embora a proteção térmica passiva (ex.: materiais isolantes) seja confiável, ela tem dificuldade em lidar com o acúmulo de calor durante voos de longa duração. Métodos de proteção térmica ativa, como o resfriamento por canal interno e o resfriamento por filme externo, oferecem maior eficiência, mas enfrentam limitações individuais: os canais internos frequentemente falham em suprimir diretamente a entrada de calor aerodinâmico externo, enquanto os filmes externos sofrem uma rápida atenuação da eficiência de resfriamento a jusante devido ao arrasto da corrente principal. Além disso, os mecanismos de interferência específicos e o desempenho térmico do uso de dióxido de carbono em estado supercrítico (S-CO₂) nessas regiões criticamente complexas e geometricamente variadas sob condições hipersônicas realistas permanecem insuficientemente explorados.

Metodologia
Este estudo conduziu investigações experimentais comparativas em um túnel de vento hipersônico de 1,0 m de diâmetro a um número de Mach de escoamento livre de 8. O modelo de teste foi uma configuração de ogiva equipada com um sistema de placa removível para facilitar três abordagens distintas de proteção térmica ativa usando S-CO₂ como meio de transferência de calor:

1. Transferência de Calor por Canal Interno (HIn): O S-CO₂ flui através de canais de treliça internos para remover o calor estrutural sem formar um jato externo.
2. Transferência de Calor por Filme Externo (HOut): O S-CO₂ é injetado tangencialmente de uma fenda superficial para formar um filme protetor, isolando a parede da corrente principal.
3. Transferência de Calor Combinada Canal-Filme (HAll): O S-CO₂ absorve primeiro o calor dentro de canais internos e é subsequentemente ejetado pela fenda para formar um filme externo, integrando ambos os mecanismos.

Os experimentos foram realizados em ângulos de ataque (α) de 0°, 10° e 20°, com uma taxa de fluxo de massa de jato de aproximadamente 120 g/s. O estudo utilizou visualização por Schlieren para observar as estruturas do campo de escoamento (ondas de choque bow, choques induzidos pelo jato, separação da camada limite e cobertura do filme) e analisou a resposta de elevação de temperatura da parede e de fluxo de calor em seis grupos de medição (P₁–P₆) ao longo da superfície do modelo.

Principais Resultados

• Interferência do Campo de Fluxo: Sob condições de ausência de jato, o campo de fluxo é dominado por uma onda de choque bow destacada e pela separação da camada limite induzida pelo degrau da fenda de injeção. O resfriamento por canal interno causa distúrbios mínimos no campo de escoamento externo. Em contraste, tanto o resfriamento por filme externo quanto o combinado geram choques distintos induzidos pelo jato e camadas de cisalhamento, elevando a corrente principal para formar uma camada protetora de baixa temperatura. A abordagem combinada não expande significativamente o alcance do distúrbio em comparação com o resfriamento por filme simples.
• Desempenho da Abordagem Única:
  • Canal Interno (HIn): Demonstrou controle superior da temperatura da parede de forma global, alcançando reduções estáveis de temperatura de 20–23 K. No entanto, careceu de supressão sustentada do fluxo de calor; o fluxo de calor da parede eventualmente retornou a valores positivos sob aquecimento aerodinâmico contínuo, indicando uma capacidade limitada de bloquear diretamente a entrada de calor externo.
  • Filme Externo (HOut): Proporcionou uma forte supressão sustentada do fluxo de calor, mantendo um fluxo de calor de parede negativo durante todo o teste. Contudo, sua capacidade de controle de temperatura foi mais fraca (redução de aprox. 10–20 K próximo à fenda, caindo para ~2,5 K a jusante), atenuando-se rapidamente ao longo da direção do fluxo.
• Desempenho da Abordção Combinada (HAll):
  • Controle de Temperatura: Exibiu o maior desempenho de transferência de calor na região próxima à fenda (P₁), com reduções de temperatura estáveis superiores a 30 K. Isso representou uma melhoria de >200% sobre o resfriamento por filme simples e ~30–50% sobre o resfriamento interno simples no ponto de injeção. No entanto, sua eficácia atenuou-se significativamente a jusante (P₃–P₅), apresentando desempenho ligeiramente inferior ao resfriamento interno simples nessas regiões devido ao reduzido tempo de residência do refrigerante e ao aquecimento secundário.
  • Supressão de Fluxo de Calor: Alcançou 100% de supressão de fluxo de calor negativa sustentada em todos os pontos de medição válidos. O modo combinado manteve níveis de supressão de fluxo de calor comparáveis ao resfriamento por filme simples e significativamente superiores ao resfriamento por canal interno.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a abordagem combinada de transferência de calor canal-filme oferece um equilíbrio sinérgico favorável para a proteção térmica de regiões críticas hipersônicas. Ao integrar a absorção de calor interna com o isolamento por filme externo, este esquema híbrido alcança:

1. Proteção Superior Próxima à Fenda: Proporciona a maior capacidade de resfriamento localizada onde as cargas térmicas são mais intensas.
2. Blindagem Sustentada de Fluxo de Calor: Retém a capacidade do resfriamento por filme de bloquear continuamente a entrada de calor aerodinâmico externo, superando a limitação dos canais internos.
3. Eficiência Equilibrada: Alcança um desempenho de proteção térmica global melhor do que o resfriamento por filme simples, mantendo a supressão de fluxo de calor comparável ao resfriamento por filme, sugerindo um uso eficiente do meio de trabalho.

Os autores concluem que, embora os métodos únicos possuam vantagens distintas (interno para redução da temperatura global, externo para bloqueio do fluxo de calor), a abordagem combinada canal-filme integra efetivamente esses benefícios, apresentando-se como uma solução de engenharia promissora para a proteção térmica ativa em regiões críticas de veículos hipersônicos.