对于高超音速飞行器而言，空气动力加热的热流密度大约与速度的立方成正比1。在这种恶劣的热环境中，如鼻锥和前缘等极端受热部件的温度可高达2200°C2，远超过材料的耐受温度，因此热防护技术非常重要3。蒸发冷却是一种主动热防护技术，其中冷却剂通过多孔介质流向主流以实现热交换和隔热，其优点是冷却剂需求低4且冷却效果均匀5。
作为蒸发冷却的介质，多孔材料具有相互连接的内部孔隙，能够促进渗流的同时产生较大的流动阻力6。由于其高比表面积（103-105m-1）[7]、[8]、[9]，从而确保了优异的热交换性能（105-106W/(K·m3) [10]、[11]、[12]。在蒸发冷却应用中，多孔材料的流动和传热特性对冷却效率有显著影响13,14。
关于多孔材料的流动特性，数十年来已进行了大量研究15,16。Ergun17通过实验研究了颗粒烧结金属多孔材料的渗流特性，并通过关联摩擦系数与雷诺数、颗粒直径和孔隙率，提出了经典的Ergun方程。Armour等人18基于球形颗粒的层流阻力公式和变截面管道的湍流阻力方程构建了阻力模型，并通过五种不同编织筛网配置的实验研究了压降相关性。泡沫状材料通常具有非常低的流动阻力。Dietrich等人19获得了泡沫陶瓷的压降与速度关系式，总结了阻力方程，并建立了ppi与水力直径之间的关系。Ding等人20对3D针刺纤维增强陶瓷基复合材料进行了渗流实验，发现其流动阻力与颗粒烧结材料处于同一数量级，表明其具有用于蒸发冷却的潜力。
对于传热系数实验，可以通过测量流体和固体之间的温差和热传递来进行稳态实验，以获得体对流换热系数。例如，Gancarczyk等人21对泡沫样品进行电加热，并测量气体和金属的温度以获得传热率和温差，从而推导出体积对流换热系数。然而，这种方法存在局限性：热电偶的插入可能会干扰内部流场，且非金属材料难以在允许环境温度流体同时流动的情况下均匀加热。因此，通常采用单次吹气实验等瞬态方法进行测量。Xu等人22对烧结金属进行了单次吹气瞬态实验，并提出了考虑稀疏效应的Nusselt数关联式。Dietrich等人23实验研究了不同材料、孔隙率和孔径的泡沫陶瓷，建立了Nusselt-Reynolds数关系，并开发了传热与渗流之间的关联式。这使得可以从压降数据估计传热系数。Lu等人24使用热气流加热泡沫陶瓷材料，并引入低温气体进行实验，并结合了孔隙尺度模拟。研究表明，较厚尺度的材料更容易达到局部热平衡，从而导致传热能力降低。
渗透率、惯性系数和体积对流换热系数可以应用于多孔介质模型进行数值模拟，从而研究多孔材料对蒸发冷却性能的影响。一些研究表明，使用偏微分方程描述航空航天过程中的非线性物理现象并推导出解析解是一种能够得出准确结论的方法[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。Von31给出了蒸发冷却效率的1D表达式。然而，对于复杂情况，需要利用数值解进行分析。Jiang等人32使用局部热非平衡（LTNE）模型表明，烧结材料的颗粒大小并不总是能增强蒸发冷却效果，因为热扩散和比表面积之间存在竞争效应。Liu等人33比较了热导率和孔隙率对冷却效果的影响，发现高固体热导率和高的固液对流换热系数有利于热防护。Yang等人34表明，在局部堵塞条件下，孔结构的方向对蒸发冷却性能有显著影响。在实际应用中，非均匀的表面压力和热流密度分布会降低冷却效率。在超音速主流中运行的钝体结构会经历空气动力停滞效应，导致停滞点的热流密度和停滞压力显著升高——在该点，进入的超音速流完全减速和压缩1。为了解决这个问题，优化多孔介质的分布至关重要。Wang等人35设计了孔隙分布以满足预期的流速，并通过利用鼻锥和冷却室之间的压力差来增强冷却效果。Liu等人36提出了一种结合计算流体动力学（CFD）、人工神经网络（ANN）和多目标遗传算法（MOGA）的新优化过程，通过设计梯度多孔矩阵来提高表面温度的均匀性。
关于蒸发冷却的研究主要集中在金属多孔材料上，特别是烧结金属多孔结构。然而，它们在极端热环境下的热阻不足以及过高的密度无法满足先进应用的减重要求。复合材料在航空航天领域具有广阔的应用前景[37]、[38]。陶瓷基复合材料（CMCs）凭借其耐高温、低密度、低热膨胀系数和高比强度，成为航空航天领域的新兴材料。它们的天然孔隙率和裂纹使其适合用于蒸发冷却。MBDA France39及其合作伙伴开发了一种新的C/C-SiC复合材料制造工艺，结合了再生冷却和蒸发冷却技术以增强主动冷却性能。Reimer等人40、[41]使用电弧喷射设备对三种CMCs进行了实验。Prokein等人42使用C/C复合材料进行了风洞实验，研究了不同气体通过材料的渗流特性，并评估了相应的蒸发冷却效果。Zhang等人43制备了低密度且具有优异渗透率的Cf/SiC多孔陶瓷复合材料，在0.9?1.9 MW/m2的范围内表现出优异的蒸发冷却性能。Li等人44对C/C-SiC针刺材料进行了风洞实验，发现内部孔隙的不均匀分布严重影响了冷却效果，并建立了相应的数值模型以完成非均匀复合材料的蒸发冷却分析和预测。
目前，关于CMCs在蒸发冷却中应用的研究仅限于整体热性能测试。材料的流动和传热特性仍不清楚，对其特定微观结构的探索也不够充分。由于理解材料的内部结构是优化设计的先决条件45，因此需要进行更深入的机理研究。CMCs包括多种类型，如2D平纹编织、3D针刺、3D四向结构等。不同预制件的内部孔结构存在显著差异，与典型的多孔材料（如烧结材料）有很大不同。由于多孔材料内的流动和传热特性由其内部孔结构决定，目前基于烧结金属和陶瓷泡沫等多孔材料的研究结果不能直接应用于陶瓷基复合材料。
在本研究中，我们实验测量了三维针刺Cf/SiC（3DN Cf/SiC）CMC的流动和传热特性，包括渗透率、惯性常数和体积对流换热系数。基于此，我们比较了CMCs和烧结金属的不同特性，并分别应用它们来模拟钝头形状物体的蒸发冷却性能。比较分析证实，陶瓷基复合材料的各向异性热导率、高流动阻力以及低密度（允许使用更厚的壁结构）都有助于提高冷却效率和均匀性。该研究为CMCs在蒸发冷却中的应用机制提供了重要见解。
