发散冷却最小冷却介质注射量的数值研究

充分发挥材料本身的抗高温能力, 以最小的冷却介质注射量, 确保推进器不被烧蚀是发散冷却系统的设计目标.本文用一维可压缩、非稳态、局部非热平衡模型, 数值研究了瞬态冷却过程及最小冷却介质注射量的依赖参数.数值研究表明:研究瞬态的冷却过程十分重要, 因为尽管当冷却过程达到稳态以后热端温度在烧蚀点以下, 但在进入稳态之前可能已经发生烧蚀;多孔介质骨架材料的初始温度越高、特征尺寸越大, 冷却介质需要量越大;在仅考虑冷却效果的前提下, 孔隙率越大, 冷却介质需要量越大;相反, 骨架材料导热系数越高, 冷却介质需要量越小.      

炭化层疏松/致密结构的三元乙丙烧蚀模型

分析了烧蚀发动机和高过载烧蚀发动机实验得到EPDM(三元乙丙)的炭化层结构,获得烧蚀过程炭化层结构形成变化的机理,建立了考虑疏松致密结构的多孔炭化层物理模型.模型中炭化层为非均质的多孔可渗透介质,孔隙内部存在气体扩散和热化学反应;炭化层中热解气体沉积效应形成致密结构.在多孔介质流动与传热算法基础上建立了模拟绝热材料烧蚀过程的数值方法,计算得到的炭化率、质量烧蚀率和炭化层的多孔结构与实验结果相吻合,证明了本烧蚀模型能够准确地描述绝热材料的热化学烧蚀过程,并为耦合烧蚀模型的建立提供数值算法基础.      

耐烧蚀材料结构重构及其内部流动与传热研究

为了研究耐烧蚀材料内部的输运现象,论文使用多点统计方法中的Snesim重构了三种2D多孔介质,并使用格子Boltzmann方法(LBM)模拟了不可压条件下2D多孔介质内的流动与传热现象。模拟结果表明:Snesim方法能够获得耐烧蚀材料的孔隙结构,且资源消耗少;多孔介质内的流动与传热现象与多孔介质结构相关,简单多孔介质中,速度和温度的分布相对比较均匀,复杂多孔介质中,不均匀的流动对温度分布有显著影响。      

炭化材料烧蚀防热的理论分析与工程应用

本文重点对炭化材料烧蚀防热的内部机理，即存在非平衡化学反应的热解气体扩散通过变孔隙度的多孔介质的瞬态传热、传质过程做了深入分析，并利用该方法对飞船返回舱头部的再入烧蚀性能进行了一维计算，通过与简化模型的计算结果比较表明：材料内部质量沉积和化学反应对烧蚀性能有较大影响。     

气相环境下EPDM绝热材料双区体烧蚀模型

针对气相环境下EPDM绝热材料的烧蚀行为建立了双区体烧蚀模型,着重考虑了沉积反应、气流剥蚀和膨胀现象。多孔介质区和固体区分开求解,采用交界面温度耦合的数值处理方法。对气相环境下的烧蚀实验开展了数值计算,分析了影响炭化层孔隙结构、质量烧蚀率的主要因素,计算结果与实验结果吻合较好。计算还获得了炭化层内烧蚀气体流速的量级是毫米到厘米,相对压强的量级是103～104Pa以及相对压强的分布情况。     

变推力液体火箭发动机烧蚀推力室的设计计算

液体火箭发动机推力室的烧蚀冷却是一种新的冷却技术.本文介绍了烧蚀冷却的机理、变推力火箭发动机推力室中换热系数的计算、烧蚀速率和侵蚀速率的计算、室壁中温度的计算以及由于烧蚀冷却所引起的性能损失的计算等,可供设计烧蚀冷却推力室作参考.     

制备工艺对多孔Ti6Al4V微观结构和性能的影响

多孔介质强迫发汗冷却是解决高超声速飞行器前缘热防护问题的有效措施。其中,多孔介质的孔隙结构及性能对于其冷却效果和可靠性影响显著,因此,制备出符合强迫发汗冷却要求的多孔材料至关重要。本工作以Ti6Al4V预合金粉末为原料,采用模压成型结合高温烧结,制备了不同开气孔率的多孔Ti6Al4V试样,通过金相及SEM观察、力学性能测试、XRD分析等方法研究烧结温度和保温时间对多孔Ti6Al4V孔隙形貌、显微组织和力学性能的影响。结果表明：提高烧结温度、延长保温时间会降低材料的开气孔率;开气孔率高时,材料中孔隙连通,渗流率高,但样品强度低;开气孔率低时,材料中孔隙闭合,大孔数量减少,渗流率低,强度高。其中开气孔率为21.8%的多孔Ti6Al4V试样综合性能最好。当该多孔Ti6Al4V样品作为主动防热材料时,可以耐受平均热流为2.5 MW/m²的火焰烧蚀。     

基于遗传算法的双层发散冷却优化

描述了基于遗传算法的双层多孔介质骨架发散冷却的优化方法.冷却剂在固定压差(Be数)与多孔介质特征尺寸的条件下被注入固体骨架,通过改变多孔介质的材料、孔隙率和厚度比例,在满足固体骨架的质量和成本等约束条件下,以最低热端表面温度为优化目标,利用遗传算法找出可行的最优冷却结构设计.计算结果表明,靠近冷端的第一层多孔介质孔隙率应当尽可能的大以提高冷却剂流量,但是其组成材料对热端表面温度影响很小,而第二层靠近热端的多孔介质的组成材料对热端表面温度有很重要的影响,它的孔隙率取决与其对有效导热系数、冷却剂流量和内部热交换系数三方面影响的平衡.      

双脉冲固体发动机喷管传热烧蚀特性

为了研究双脉冲固体发动机喷管的传热烧蚀特性,由燃烧室压强及发动机推力试验曲线得到了喷管喉径的瞬变值,由FLUENT流体计算软件进行流固耦合传热烧蚀计算,得到了喷管瞬态温度分布、绝热材料热解炭化情况及碳/碳(C/C)喉衬瞬态烧蚀率,分析了脉冲工作过程及脉冲间隔时间对喷管传热烧蚀的影响.计算结果表明,脉冲工作过程中,绝热材料热解线、炭化线向材料内部扩展,喉衬烧蚀率不断增大;脉冲间隔时间内,喷管材料内部的导热使各处温差减小,温度趋于一致;第一脉冲的传热烧蚀与脉冲间隔的材料导热使第二脉冲工作时喉衬整体热沉小、内壁初始温度高、表面粗糙度大,从而导致较高烧蚀率.      

电弧风洞加热条件下聚四氟乙烯烧蚀热响应特性

高温加热条件下,由于聚四氟乙烯的热解,对烧蚀温度场计算结果有较大影响,为了提高聚四氟乙烯烧蚀温度场计算精度,建立了聚四氟乙烯烧蚀温度场计算方法,对电弧风洞加热条件下聚四氟乙烯表面烧蚀热响应特性进行了验证研究。理论计算和试验测量结果对比表明:230～323℃升温区间内,随时间增长,温度逐渐升高,理论计算与试验测量结果变化趋势一致;323～680℃升温区间内,随时间增长,试验测量温度逐渐升高,理论计算温度为定值,理论计算与试验测量结果存在一定偏差;680～390℃降温区间内,随时间增长,温度降低,理论计算高于试验测量值,这与理论计算烧蚀量存在偏差有关。采用聚四氟乙烯材料烧蚀温度场计算方法,可以有效模拟高温加热条件下聚四氟乙烯热响应特性,从而为产品设计提供参考。     

EPDM的烧蚀模型

作为固体火箭发动机燃烧室壁面绝热层的ＥＰＤＭ是一种炭化型热防护材料,受热时形成炭化层和热解层,在燃气和粒子冲蚀下不断减薄并带走热量,有效地保护燃烧室壁。采用气动热化学烧蚀机理,扩散和化学动力学双控制机制,并计入气流与粒子的侵蚀,建立了ＥＰＤＭ的烧蚀模型;同时将烧蚀与移动边界下的传热相耦合进行烧蚀率预示。根据模型预示的烧蚀率与试验结果吻合很好。     

利用横向槽改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得横向槽对气膜冷却效率的影响规律,采用数值模拟方法分别研究了横向槽出口有无斜坡两种冷却结构形式在不同吹风比条件下的流动过程和冷却效率分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行了对比,以揭示横向槽对改善气膜冷却效率的机理。研究表明:在横向槽的作用下,射流向主流的垂直扩散受到抑制,二次流在流出横向槽后能更好的贴覆绝热壁面,提高了气膜冷却效率,并且横向槽出口有斜坡的气膜冷却结构在气膜孔中心线上的冷却效率最好。     

不同激励形式对脉动气膜冷却特性影响的数值研究

为了探究不同激励形式对脉动气膜冷却特性的影响,在35°倾角平板射流模型中,采用非定常数值模拟方法进行相关研究。挑选常用的方波和正弦波作为冷气激励,无量纲激励频率斯特劳哈尔数St=0.019,0.047,0.093,0.263,0.441,重点对冷气附着和高温主流入侵现象进行了对比研究。结果表明:正弦激励下的冷气对壁面有更强的附着和更高的冷却效率;方波激励下的冷气穿透能力较强但对壁面附着相对较弱。此外,方波激励下存在主流入侵,会烧蚀气膜孔及局部壁面;而正弦激励使得冷气连续变化,能明显抑制主流入侵。更进一步,提高脉动周期内的最低吹风比不是抑制主流入侵的最佳方式,因为主流入侵主要是因为冷气量变化过于剧烈。针对正弦激励,冷气的无量纲激励频率St0.263后也会导致主流入侵。考虑冷却效果和避免主流入侵,建议在实际应用中选用较低频连续波形作为激励。     

气相燃气速度对EPDM绝热材料烧蚀的影响

为了解气相燃气速度对EPDM绝热材料烧蚀的影响,在双基推进剂环境中对EPDM绝热材料进行了烧蚀试验研究。试验排除了粒子的作用,分析了两压强下的不同燃气速度环境中EPDM绝热材料的炭化烧蚀率、炭化层的结构特征以及成分分布。试验结果表明:燃气速度对炭化烧蚀率的影响较弱,对炭化层厚度的影响明显;不同燃气速度条件下炭化层断面具有相同的结构特点和相似的成分分布趋势;低燃气速度条件下烧蚀以热解炭化为主,高燃气速度条件下炭化层的机械破坏显著。试验结果可以用于进一步研究EPDM绝热材料烧蚀机理。     

Film cooling performance and flow structure of single-hole and double-holes with swirling jet

This paper presents the results of a numerical study of the effects of swirling flow in coolant jets on film cooling performance. Some combined-hole designs with swirling coolant flow entering the delivery hole are proposed and analyzed. Adiabatic film cooling effectiveness values for cases with various blowing ratios are compared. Detailed flow structures and underlying mechanisms are discussed. The results show that film cooling effectiveness is improved with jet swirl at high blowing ratios, ...     

模拟过载条件下EPDM绝热层烧蚀实验

用一种粒子浓度、速度和角度可调的高过载模拟烧蚀发动机,开展过载条件下粒子冲刷对EPDM绝热层烧蚀特性影响的实验研究。实验结果表明:(1)存在一个临界速度,当冲刷速度低于临界速度时,粒子浓度,速度和角度对炭化烧蚀率影响较小,而当冲刷速度高于临界速度时,炭化烧蚀率随速度的增加而急剧增加,角度影响也较大。(2)弱冲刷条件下的炭化层表面平整,而粒子沉积条件下的炭化层表面附着有很多大粒径的粒子,炭化层结构也更加疏松,而强冲刷条件下,粒子由于速度较高而不易在炭化层表面沉积。(3)当低于临界速度冲刷时,炭化层的孔隙结构分布不均匀,存在致密/疏松分层结构,而高于临界速度冲刷时,炭化层结构则更为致密。(4)通过多元回归得到了炭化烧蚀率与粒子冲刷速度,浓度和角度的经验关系式。     

A numerical study of segmented cooling-stream injection in supersonic film cooling

The present study proposes a segmented cooling-stream injection structure based on a certain coolant mass flow rate, and numerically investigates the effect of segmented cooling-stream injection on supersonic film cooling. The results indicate that without shock-wave impingement and with helium as the coolant, segmented cooling-stream injection can reduce the mixing between the mainstream and the cooling stream to produce better cooling performance than single injection, especially at larger coo...     

分腔流量比对涡轮曲端壁表面冷却特性实验

利用高速风洞及压敏漆（PSP）技术,研究了端壁表面不同分腔流量比对端壁表面的气膜冷却效率的影响。对比各个分腔在不同流量比下端壁表面的气膜冷却效率的详细分布发现：端壁表面的气膜冷却效率随着槽缝流（分腔1）流量比的增加而增大,随着槽缝喷射冷气流量的增加,冷气在端壁表面的覆盖范围变广,同时冷却效果也有所提升;随着端壁前部分腔（分腔2）冷气流量比的增加,叶栅通道喉部上游区域的冷却流体会出现明显的吹离壁面的情况,端壁表面的气膜冷却效率也会随之减小;端壁后部分腔（分腔3）冷气流量比对端壁表面的冷却效率的影响与分腔2类似。