矢量喷管内燃气辐射与壁面温度的耦合计算

选取内、外调节片和隔热屏建立几何模型,基于封闭腔净辐射模型和壁面热平衡模型建立了燃气辐射与喷管壁面温度的耦合算法.波段为1~5μm的气体辐射采用窄波带模型计算,其他波段不考虑气体辐射,建立辐射净热流密度-有效辐射亮度-壁面温度的关联式求解燃气与壁面的辐射换热,采用牛顿-拉斐尔森迭代法求解壁面热平衡方程计算其温度.对某轴对称矢量喷管(偏转20°),计算了喷管壁面的红外光谱辐射和辐射净热流密度,以及各部分结构的温度.作为验证,还计算了文献中某液体火箭发动机轴对称矢量喷管壁面的辐射净热流密度,与文献的结果进行对比一致性较好.研究表明:轴对称矢量喷管偏转段沿周向的辐射热流密度和温度差异很大,沿偏转方向部位壁面的温度和辐射热流密度都较低,偏转方向壁面的温度比相反方向大约低10%,辐射热流密度大约低50%.      

Numerical simulation of the infrared radiative signatures of liquid and solid rocket plumes

In this paper, a finite volume method was developed to compute the infrared radiative signatures of both liquid and solid rocket plumes, and to investigate the radiative signatures on two wavebands, 2–6 and 8–12 μm bands, respectively. This method is based on the radiative transport equation for local thermodynamic equilibrium, which accounts for radiative heat transfer in inhomogeneous emitting, absorbing, and non-isotropic scattering media. The radiative properties of combustion gases are computed by using the Elsasser narrow band model, and that of particles are computed by using the Mie scattering theory. A numerical method is applied to solve the following three problems. The first one is the computation of the radiative heat transfer in an absorbing, emitting and isotropic scattering homogeneous cylindrical medium in which the radiative flux is presented. The other two are the computations of the infrared radiation of plumes from the liquid and solid rockets in which both the source and apparent radiant intensities are presented as results. The atmospheric absorption effect on the radiation of plumes is also considered by calculating the atmospheric transmittance using MODTRAN. Some of these results, compared with those available in the literature, have shown satisfactory agreement in most cases.     

月球探测器发动机羽流辐射热流计算

火箭发动机羽流的辐射的计算需要求解气体介质的辐射传递方程(RTE).计算模型中基于单线组(SLG)模型考虑气体组分的光谱特性,并采用离散传递法(DTM)求解RTE,对波长积分得到辐射热流密度.通过对圆柱高温CO₂气团辐射热流计算来验证计算程序,然后在流场计算的基础上,计算了月球探测器主发动机和姿控发动机羽流对各部位和仪器的辐射热流密度,根据对不同工况计算结果的分析为探测器的设计提供参考.      

火箭发动机喷管辐射及壁温的计算研究

研究了火箭发动机复合喷管的耦合换热及瞬态壁温的计算方法,考虑了扩散控制的C/C喉衬的稳态烧蚀,建立了封闭腔-净辐射模型计算喷管内的辐射换热,改进了喷管辐射换热的计算方法.计算了两种复合喷管的壁温随时间的变化,并与有关文献的结果进行对比.研究表明:在火箭发动机喷管的入口段,高温燃气对壁面的辐射换热热流比对流换热热流强;采用封闭腔-净辐射法计算火箭发动机喷管的辐射精度较高.      

Calculation of Wall Temperature for Aircraft Exhaust System with Considering Gas Radiation Heat Transfer

The coupled numerical simulation of flow field, solid temperature field, species concentration field and gas radiation transfer/ energy field based on statistical narrow-band correlated-k (SNBCK) model, is employed to accurately predict aerothermodynamic characteristic of aircraft exhaust system. A series of methods to increase computational efficiency and descend computational resources make it possible to finish the calculation in PC. The parameters of narrow-band model are evaluated by HITEMP line-by-line database. Three examples have proved the accuracy of using these methods to solve flow heat transfer coupled problem and radiation transfer/energy equation, which are the calculation of temperature distribution of water-cooling nozzle in rocket engine, the calculation of carbon dioxide absorptivity at 4.3 micron band, and the gas radiation heat transfer evaluation of the cylindrical furnace. Finally, the inner flaps temperature distribution of ejecting nozzle with floating outer flaps is computed, under high-altitude, high-speed and afterburning conditions. Two completely different air-inlet schemes of ejecting channel almost achieve the same effect in cooling inner flaps.     

深空探测发动机热环境研究

对深空探测发动机热环境进行了分析,发现深空探测发动机喷管将给探测器辐射较高热量;为了尽可能阻止热量散发至探测器,拟采用热阻材料;采用热阻材料后,喷管壁温较没有热阻材料时高,但还在使用范围之内.热防护分析方法经过了地面试车验证,计算结果与试车测量值符合较好.      

气动加热下光学窗口传热特性的数值模拟

针对气动加热条件下光学窗口辐射导热耦合传热开展研究,以了解光学窗口的热辐射发射规律及热防护性能。采用有限体积法、蒙特卡罗法、谱带模型建立了具有镜反射界面的光学窗口辐射传输及辐射导热耦合传热计算模型,对具有两层SiO2玻璃的光学窗口传热特性进行了模拟。结果表明处于高温区玻璃向外发射热辐射,低温区玻璃吸收热辐射;除了加热面附近外的玻璃区域,辐射热流密度远大于导热热流密度,在2.9～4.2μm谱带内的辐射热流密度大于0.4～2.9μm谱带内的;在0.4～2.9μm谱带内,可见光波长内的出射辐射热流密度最小,中红外波长范围内出射辐射热流密度最大。在光学窗口总厚度一定的情况下,降低玻璃层厚度和玻璃夹层气体热导率能够有效降低光学窗口非加热面稳态温度。     

氢氧烃三组元发动机燃烧室传热、流阻初步分析

本文对几种发动机的冷却作了分析比较,指出使用铜锆合金是高压大热流发动机的必然要求.对大推力氢氧烃三组元试验发动机燃烧室的传热分析表明:热流仅相当于相同推力氢氧双组元发动机的1/3～1/2,热壁温低于800K,完全满足设计要求,但流阻较大,对氢泵不利.     

Radiative properties of alumina/aluminum particles and influence on radiative heat transfer in solid rocket motor

The thermal radiation of micron-sized condensed phase particles plays a dominant role during the heat transfer process in aluminized Solid Rocket Motors（SRMs）. Open research mainly focuses on the radiative properties of alumina particles while the study considering the presence of aluminum is lacking. In addition, the thermal radiation inside the SRM with consideration of the participating particles is seldom studied. In this work, the multiscale method of predicting the thermal environment insi...     

三维数值模拟再生冷却喷管的换热

为了解液体火箭发动机喷管再生冷却的换热特点，采用数值模拟的方法，对内喷管燃气、壁面和冷却液建立不同的三维控制方程，进行流动和传热的耦合计算。在计算中，假定喷管流动为冻结流动，考虑燃气向壁面的对流换热和辐射换热；采用二阶迎风格式离散控制方程，采用DO模型离散求解辐射换热方程，水蒸气的吸收系数根据Leckner公式计算。计算模型采用缩比热试车发动机，数值计算结果与实验结果吻合较好，较准确地模拟出了喷管的壁面热流密度，得到了喷管燃气和冷却液的流场和温度场，对高压再生冷却喷管的设计具有指导意义。     

超声速自引射装置的工作过程研究

应用湍流κ-ε双方程模型,分析了液体火箭发动机自引射工作过程所用的超声速自引射装置(简称引射器,包括圆柱型和二次喉道型引射器)在相同二次流入口面积时的流场分布,依据流场分析值确定了激波在引射器内的位置,结果表明喷管内的气流达到满流状态,并根据有关参数计算了引射系数.对比引射器真空舱内压力仿真值和试车测量值,两者基本一致.      

运用区域法模型计算燃烧室内一维辐射换热

采用一种机理严密,精度高的区域法辐射换热模型用于燃烧室壁温计算.采用Lefebvre模型和区域法模型计算了一个圆筒型不冷却火焰筒结构的换热;对比分析了两种方法计算的壁面辐射热流密度和壁面温度分布情况.结果表明,使用Lefebvre模型计算时,由于将燃气按一维划分为定向辐射,在燃烧室前后壁面辐射热流密度较小,存在一定不足;而使用区域法模型计算时,辐射热流密度分布更趋合理.      

燃烧室辐射换热一维区域法模型研究

目前用于工程计算燃烧室辐射热流的Lefebvre零维辐射模型,不考虑燃气区域对附近壁面的辐射影响,过于简化,不能反映实际燃烧室火焰筒内的辐射换热过程。本文发展了一种机理严密,精度高的用于燃烧室壁温计算的区域法辐射换热模型。文中采用Lefebvre模型和区域法模型计算了一个圆筒型不冷却火焰筒结构的换热;对比分析了两种方法计算的壁面辐射热流和壁面温度分布情况。结果表明,使用Lefebvre模型计算时,由于将燃气按一维划分为定向辐射,在燃烧室前后壁面辐射热流较小,存在一定不足;而使用区域法模型计算时,辐射热流分布更趋合理。     

离散光谱分辨率对喷流红外特性FVM计算的影响

建立了辐射传递方程(RTE)的有限元体积法(FVM)计算模型,研究了离散光谱分辨率对FVM计算精度的影响,提出了离散光谱分辨率无关解的概念,并编制了相应的FORTRAN源程序,结合大气飞行发动机标准算例进行了一系列计算和比较.结果表明;在给定的红外光谱域中,随着离散光谱的分辨率的提高,计算出的方向光谱辐射强度渐渐趋向于同一个值.在航空发动机喷流2～5μm红外光谱区间中,当划分150个以上等间隔光谱微元后,FVM可以保证达到离散光谱分辨率无关解.      

固液火箭发动机多界面喷管瞬态传热特性研究

固液火箭发动机是一种采用固体燃料和液体氧化剂的一种新型火箭发动机,由于燃料和氧化剂是不同物理状态,且在燃烧室内为非预混扩散燃烧,因此固液火箭发动机固体燃料的燃速低,工作时间长。固液火箭发动机喷管一般采用被动热防护喷管,喷管结构在长时间工作中的热防护问题是发动机设计中的关键问题。针对工作时间为200s的全尺寸固液火箭发动机,本研究采用碳陶复合材料、钨渗铜高温合金和高硅氧酚醛树脂等材料,提出了三种喷管结构方案。随后通过建立喷管材料瞬态热传导和烧蚀仿真模型,对三种不同方案的喷管结构的传热特性进行了仿真计算,分析了固体药柱内径在工作过程中变化对喷管传热性能的影响,发现药柱内径会改变燃烧火焰层结构,进而影响喷管壁面的温度分布和热流分布,热流密度在喷管喉部位置达到最大值。本研究同时还开展了相应的地面热试车试验,对仿真结果进行了验证分析。此外,对固液火箭发动机的喷管设计提出了建议和展望。     

涡轮发动机高温隔热涂层内的传热研究

高温环境中的金属部件, 通常采用表面涂层技术以降低金属材料的温度和热力梯度。氧化锆、陶瓷等涂层材料对热辐射是半透明的, 因此, 高温下涡轮发动机的热分析需要考虑涂层内辐射换热的影响。本文考虑了各种界面辐射特性: 不透明界面和半透明界面, 镜反射和漫反射。采用光线踪迹 /节点分析法计算了吸收、各向同性散射性介质内的辐射传递系数。结合控制容积法数值模拟了涡轮叶片和燃烧室衬垫涂层内的辐射与导热瞬态耦合换热。      

气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响

为了掌握气喷嘴和声腔对燃烧室声学特性的影响规律以及解释声学实验中出现的切向频率分化现象的内在机理,采用声学有限元方法(FEM)并在单喷嘴声学模拟实验验证的基础上,从固有频率和声压分布角度分析了气喷嘴长度、声腔长度和节流嘴直径对燃烧室声学特性的影响规律,利用声压分布成功地解释了实验中出现的频率分化现象。结果表明:当燃烧室某阶切向振型频率与喷嘴1阶纵向振型频率相等时,喷嘴由于共振将切向振型声压幅值极值点附近的能量转移到喷嘴中,改变了燃烧室原切向振型的声压分布,因此在声学实验中产生切向频率分化现象；气喷嘴长度与节流嘴直径之间存在着耦合关系,在液氧煤油补燃发动机喷嘴设计阶段可进行组合参数匹配优化。      

固体火箭发动机喷管结构瞬态温度场的理论预估

本文采用目前广泛应用、效果显著的有限元法,对固体火箭发动机复合喷管结构的轴对称瞬态温度场进行了理论预估.在计算中考虑了对流换热系数沿喷管轴向的变化及材料的方向性.所编程序通用性较好.     

A concept of a spacecraft with small initial mass placed in the near-earth orbit by a laser rocket engine

A method and results of calculating the laser radiation power values necessary to place an artificial earth satellite in orbit are presented; the values depend on the initial vehicle mass, velocity of the working fluid efflux from the laser rocket engine nozzle, velocity of vehicle motion, optimal values of thrust-to-weight ratio taking into account irreversible energy losses in the rocket engine jet. The possibility of creating a spacecraft with small initial mass is substantiated. A layout scheme of the propulsive system is proposed that makes it possible to divide total laser radiation power and to use atmospheric air as a working fluid.     

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。