热容燃烧室基于单点温度的热流测量方法研究 *

为了研究推力室内壁面与燃气间的传热特性,获得多喷嘴燃烧室内壁热载分布,从而为推力室设计及热结构分析提供参考,开展了热容燃烧室壁面热流测量方法研究。以位于距内壁一定距离位置的单点测量温度作为输入条件,文章提出了三种热流计算方法,并进行火箭发动机试验研究,得到了对应位置燃气对内壁的热流密度。可以看出,运用单点方法得到的热流密度与传统两点法结果符合较好,两者计算结果误差在10%以内。结果显示:不同点火时长工况下在同一位置相同时间点上重复性很好,在燃烧室圆柱段热流密度随着点火时长的增加而减小,而在喷管段变化规律则相反,热流密度随时间增加而增加。在提出的计算平均热流的三种方法中,热积累方法的计算结果最高,热平衡方法次之,瞬态法最低。在火箭发动机热容试验中,本文提出的方法可以用于测量燃烧室内壁面热流密度。     

单喷嘴燃烧室传热特性的测量方法

为开展燃烧室的传热特性等研究,采用了以紫铜作为材料的容热式推力室身部,通过测量热试车过程中身部壁温,来获得推力室内壁温度、热流沿轴向的分布。为测量数据设计了数据处理方法,以利用测得的温度值获得内壁温和热流值,且进行了主要误差估计。将该方法在气气喷注器推力室上进行了应用,研究了其传热特性。     

单喷嘴气-气喷注器推力室燃烧流场相似性

 设计了单喷嘴容热式气-气喷注器推力室,喷注器采用同轴剪切式,氢气/氧气作为推进剂。在同一燃烧室采用了0.92~6.10 MPa范围内7个室压工况,并在同一室压下采用不同燃烧室尺寸工况进行了试验研究,在变化室压和推力室尺寸时,推进剂种类、温度、混合比和喷注速度保持不变,燃烧室尺寸变化时保持几何相似,采用燃烧室壁面测温方法对比了不同工况下内流场的相似性。研究结果表明：不同室压和不同推力室尺寸工况下的推力室内流场具有相似性。     

气氧甲烷单喷嘴燃烧室壁面热流的测量和数值模拟

为了研究气氧甲烷燃烧室的壁面热载荷,对一个包含同轴剪切喷嘴的燃烧室开展了热试研究,混合比2.647,室压2MPa。根据沿燃烧室轴向测得的壁面温度数据,利用逆向传热计算的方法获得了壁面热流分布。为了更好地分析实验结果,应用商业CFD软件ANSYS Fluent开展了相应的数值模拟研究,采用涡耗散概念模型模拟湍流燃烧过程。在进行分析之前对网格无关性进行了验证,比较了从数值模拟和实验获得的热流分布,结果表明所采取的模拟方法能够有效预测燃烧室壁面热流分布,最大热流值偏差17%,另外还从燃气温度场和流场结构方面分析了造成这种热流分布的原因。     

针栓喷注式MMH/NTO推力室燃烧及传热数值仿真

为了研究针栓喷注器不同压降、动量比和雾化细度对燃烧室流场结构和推力室性能的影响,采用Euler-Lagrange方法对针栓喷注式双组元MMH/NTO自燃推进剂液体火箭发动机进行了燃烧流动与耦合传热数值仿真。燃料液滴喷射的初始条件由VOF方法计算获得,流场计算采用Realizable k-ε湍流模型及11组分4步反应化学动力学模型,流固耦合区域对流换热为耦合换热边界。结果显示,采用VOF方法获得的液滴初始喷射角度与实验值相差1.8%~3.5%;仿真计算室压与热试车结果相差2.73%。仿真研究表明:针栓喷注器的压降对燃烧室流场特性的影响要比动量比的影响更显著;对于内路为燃料外路为氧化剂的针栓喷注器而言,改善燃料路的雾化效果所获得的推力室性能比改善氧化剂路的雾化效果所获得的性能更敏感。     

基于传热反问题方法的N_2O/C_2H_4预混推进剂燃烧室热流测量研究

测量液体火箭发动机的热载荷是获取燃烧室内部信息的重要方法。为了获取N_2O/C_2H_4预混推进剂燃烧室内壁的热载荷,建立了液体火箭发动机的热流计算的反问题方法,该方法基于对燃烧室壁面温度场的直接求解,通过对轴向多个位置测量温度的反演计算得到燃烧室内壁热流和温度。研究表明:应用文中建立的传热反问题方法能够较为准确地获得热流随时间及空间的分布;热电偶的位置对计算准确性有明显的影响,与理论深度偏差在0.2mm以内的随机深度偏差可导致超过4%热流反演误差;N_2O/C_2H_4预混推进剂燃烧室热流及温度沿轴向逐渐降低,表明燃烧室内的反应释热过程主要在燃烧室头部附近发生。     

液体火箭发动机不同室压下冷却方案适用范围

为了精准评估不同冷却方案对高压液氧烃火箭发动机推力室传热特性的影响,建立了一套再生通道-液膜屏蔽-隔热镀层-辐射换热的整机模型,采用Ievlev半经验模型计算燃气侧壁面的对流换热过程,引入Shruvik安全裕度评估准则,计算推力室径向的分区温度和热流密度。基于某型大推力液氧煤油火箭发动机,研究了不同冷却结构组合的换热能力上限,分析了不同推力室压力对冷却设计方案的影响。结果表明:推力室压力在12 MPa及以下时,可主要依靠再生冷却技术满足冷却需求;在16 MPa及以下时需要配合内冷却环带满足冷却需求;在18 MPa及以下时需进一步设置隔热镀层提高热防护能力;室压在20 MPa甚至更高时,必须采用其他强化换热措施。      

再生冷却推力室耦合传热数值模拟

对大推力液体火箭发动机再生冷却推力室内部燃气、室壁和再生冷却剂进行了耦合传热数值计算.采用二维轴对称N-S方程描述推力室内部燃气的湍流流动与传热,对冷却剂流动采用简化的一维模型,通过室壁的偶合传热采用一维传热模型.N-S方程的求解采用贴体坐标系下的有限容积法,速度和压强的耦合采用可压缩的SIMPLE算法.湍流的模拟采用可压缩的标准κ-ε模型,辐射传热采用热流模型计算.研究表明,本文方法可较好地模拟燃气的二维流动,同时能快速计算壁面热流密度、壁温和冷却套温升,计算结果对大推力发动机推力室的设计具有一定的指导意义.     

冷却剂不同流动方式对膨胀循环推力室再生冷却换热的影响

为了解液体火箭发动机膨胀循环推力室再生冷却换热特性,对某一参考发动机推力室和另外两种面积比的膨胀循环推力室建立三维计算模型,采用数值模拟的方法,考察冷却剂的温升、冷却通道压降以及推力室内壁面温度和热流密度的分布情况.重点比较了不同燃烧室圆柱段长度、冷却剂不同流动方式以及不同面积比对以上结果的影响.计算过程中采用二阶迎风格式离散控制方程.计算结果表明:采用逆流冷却时,通过加长推力室圆柱段长度使推力室受热面积增加70%后,冷却剂温升提高了一倍左右;对膨胀循环推力室进行再生冷却时,采用顺流冷却要比逆流冷却的冷却通道压降低,但同时冷却剂温升也较低,并且对喉部壁面的冷却效果较差.     

液体火箭发动机推力室内壁寿命预估

为了分析推力室内壁失效机理及准确预估推力室内壁寿命,对推力室进行流-热-固耦合计算.流-热耦合为热-固耦合提供准确的热和机械载荷,热-固耦合模型对推力室内壁在循环加载下的变形进行非线性平面应变有限元分析.通过计算,得到了推力室内壁在单循环各阶段的应力-应变分布和循环加载下的变形过程,并进行了寿命预估.结果表明:采用的流-固耦合策略能准确地实现流-热耦合模块向热-固耦合模块的载荷传递,能为结构分析提供准确的边界条件.在预冷、后冷和松弛阶段,内壁承受拉应力;在工作阶段,内壁承受压应力.随着循环次数的增加,内壁残余应力和应变不断增大,内壁向燃烧室内鼓起和不断变薄,冷却通道中心最先失效.所采用的分析模型能够模拟内壁在循环热和机械载荷下的变形过程,用于预估推力室内壁的循环寿命.      

竖直圆管内超临界碳氢燃料换热恶化的直径效应

利用Fluent对超临界压力下直径对碳氢燃料换热恶化的影响进行数值研究,湍流模化采用Launder-Sharma（LS）低雷诺数模型,物性采用广义对应态法则对RP-3替代燃料计算。计算条件：系统压力为3 MPa,进口温度为573 K,热流密度为500 kW/m²,质量流量为0.001 5和0.003 0 kg/s,直径范围为1~10 mm。正常换热条件下的计算壁温和实验结果基本吻合,证明了计算方法的准确度。结果表明：强制对流下小质量流量时直径越大,换热恶化程度更高且更提前发生,换热恶化是由定压比热容处于极大值后的急剧下降区导致的,大质量流量时直径与壁温成正比,无换热恶化发生;浮升力效应仅在小质量流量下起作用,随着直径增大而加强,给出RP-3流动换热时浮升力起作用的判据和不同直径下换热恶化的边界。     

超临界压力航空煤油RP-3在竖直微细管内的对流换热实验

以实验方式对超临界压力RP-3在内径为1.09mm微细管内的对流换热进行了研究,剖析了系统压力、加热热流密度、流动方向及浮升力这些因素对对流换热的影响。实验中热流密度控制为180~460kW/m2,系统进口压力变化范围为3~5MPa,进口雷诺数在3200~10200范围内变化。结果表明:对于向下流动,在实验段入口处浮升力对换热产生了恶化作用,热流密度越大,恶化作用越强;系统压力主要是通过影响流体热物性对对流换热产生影响;不同流动方向对对流换热的影响十分显著,整体上向下流动换热得到强化,向上流动换热得到恶化。      

超临界压力正十烷对流传热实验及计算研究

针对主动冷却超燃冲压发动机的实际工作条件,利用电加热管设备开展了超临界压力正十烷流动和传热特性实验,目的在于获得适用于发动机传热设计的燃料对流传热关联式。管子材料为不锈钢、内径1．5 mm、外径3．0mm、长度1300mm。采用K型热电偶测量管壁沿程外壁温。实验中正十烷压力约4．0～4．3MPa,温度约335～870K,流量分别为0．93、1．24和1．86g/s。正十烷的流动经历了层流、过渡和湍流3种流态。采用最小二乘法拟合实验数据,获得了正十烷在3种流态下的传热关联式。通过外壁温计算值与实验值的对比,验证了本文给出的传热关联式的适用性。     

超（近）临界压力航空煤油RP-3的拟过冷沸腾传热特性

为了研究吸热型碳氢燃料在新型飞行器中的再生冷却性能,采用电加热方式,在热流密度0.1-1.0MW/m2和质量流速500-1000kg/m2s条件下,小通道圆管内（D=1.6mm）研究了超（近）临界压力下（P=3MPa）航空煤油RP-3的拟沸腾流动传热特性。研究发现了超（近）临界压力航空煤油的拟过冷沸腾传热现象。拟过冷沸腾壁温变化特征和传热恶化特征与亚临界压力下的相应特征存在差异。超临界压力航空煤油传热区域划分为类液态强制对流传热区、拟过冷沸腾区和类气态强制对流传热区。拟过冷沸腾壁温和传热系数随流体温度增加而缓慢增加,起到传热强化的作用;拟临界温度区域,存在传热系数极小值点,燃料发生传热弱化;燃料温度大于拟临界温度,燃料处于超临界类气态,传热大幅强化。     

多孔隔热壁温度场气动传热耦合计算方法

研究了燃烧室多孔隔热壁温度场气动传热藕合计算新方法。特点是综合应用工程热力学、空气动力学、传热学(包括导热、对流换热及辐射换热)的基础理论,结合数值传热学的理论和方法,考虑了压力(压差)、流速(流量)、温度(温差)及热量等诸多参数的相互耦合影响的关系,包括气膜孔内壁与冷气对流换热的影响。所发展程序在给出燃烧室进出口必要的气动参数后,即可直接计算出带环状缝隙及多个气膜冷却孔的燃烧室隔热壁温度场。      

气氢/气氧同轴剪切单喷嘴燃烧室壁面热流计算与分析

以气氢/气氧为推进剂,采用数值模拟方法,研究了同轴剪切喷嘴设计参数——氢氧速度比和氧压降比对单喷嘴燃烧室内燃烧过程和壁面热载的影响,并将绝热壁面条件、等温壁面条件的计算结果与试验结果进行了对比分析,结果表明:氢氧速度比增大,燃烧性能提高,壁面热载增加;氧压降比增大,燃烧性能下降,壁面热载减小;相比采用壁面绝热燃气温度,采用热流预示燃烧室壁面热载与真实情况更为接近.      

超临界压力下航空煤油流动与传热特性试验

本文针对超燃冲压发动机再生冷却系统运行条件,实验研究了大庆RP-3煤油在超临界压力下的流动和传热特性,目的在于研究煤油在各种工况下的流动参数变化以及对流传热规律。煤油通过二级煤油加热/输运系统加热,试验的煤油压力约2.6M～5.0MPa,油温约300～800K。相应的壁面热流密度为10～300kW/m2。通过油温与壁温的同步测量,结合非定常传热分析,获得了超临界压力下、亚/超临界温度范围内煤油的流动和传热物理参量的变化曲线。     

超临界压力下航空煤油圆管流动和传热的数值研究

对超临界压力下大庆RP-3航空煤油在小管道内的流动、传热过程进行了数值研究。湍流模拟采用了RNG k-ε两方程模型和Wolfstein一方程模型结合的两层模型;同时,采用煤油的10组分替代模型以及NIST Super-trapp程序库对大庆3号航空煤油的热物理和输运特性进行了确定。圆管传热的计算条件为:入口压力4 MPa,入口温度300 K,质量流量范围:0.06～0.12 kg/s,壁面热流密度范围:300～700 kW/m2。计算结果显示,煤油的流动和传热特性比水、二氧化碳等简单化合物复杂得多。在超临界压力下,煤油的吸热升温导致其热物理特性以及流动特性均发生剧烈变化,其中,雷诺数沿管道方向上升了至少一个量级,而普朗特数下降了一个量级。在加热开始段,煤油的对流传热系数迅速上升;当壁面温度超过其拟临界温度后,对流传热系数略有所回落;随着煤油温度的进一步上升,传热系数又得到明显增强。计算表明,煤油对流换热特性的变化与煤油复杂的高温热物理特性以及湍流流动在近壁区的增强和抑止有关。