层板发汗冷却结构的非均匀温度分布受热皱损的求解

 液体火箭发动机发汗冷却推力室的结构层板可能出现受热皱损。采用三边简支、一边自由的矩形薄板，应用伽辽金法，提出满足边界条件的试函数，求解了层板的扩散流动区任意温度分布下的非均匀热应力的结构稳定性问题。以温度分布为线性时的热应力为例，分析了典型的层板发汗冷却结构的受热变形，获得了层板发汗缝隙宽度和层板厚度之间的关系，并与均布热应力计算结果进行了对比，得到了避免层板受热皱损的更精确的计算方法。     

推力室喉部层板发汗冷却段的结构设计分析

根据层板单元的热分析结果和层板发汗冷却推力室固有的结构特点,提出这种先进发动机冷却方案的设计原理和结构参数的计算公式,结合一台50kN发动机推力室喉部改再生冷却为发汗冷却的改形设计,分析其层板发汗冷却段喉部的设计方法和主要结构尺寸的计算结果。还比较了全再生冷却和发汗冷却两种冷却方式下发动机推力室的温度、热流密度和重量。对先进层板发汗冷却推力室的结构设计提供了参考。     

典型结构的层板发汗冷却推力室传热特性的推算方法

针对典型的层板发汗冷却结构,提出了利用一个推力室的实验数据来计算另一推力室所需发汗流强的方法。在一种发动机推力室壁面发汗冷却实验数据测出以后,对同一发动机或另一发动机推力室壁采用不同的冷却剂、不同的壁面材料时的受热壁面工作温度与发汗流强的关系,由迭代计算完成。作为分析实例,利用氦气发汗冷却的试验数据对氢气发汗冷却流强进行了计算,其结果得到了实验的验证。     

层板推力室发汗冷却壁温特性的初步研究

对液体火箭发动机发汗冷却层板推力室的壁温特性进行了初步研究,通过建立一维固液耦合温差模型,利用有限体积法,计算得到沿推力室径向层板固体和冷却剂的温度分布,并对影响壁温特性的各种因素进行了计算分析,包括冷却剂流量、层板导热系数和冷却通道尺寸等.结果表明:冷却剂流量是控制层板结构温度的重要参数;层板应该采用一种导热系数适中的材料,过大或过小导热系数的材料都不利于推力室的整体性能;较大的冷却通道宽高比有利于层板向冷却剂导热;冷却通道内的换热效率与冷却剂流量和层板导热系数有关.      

液体火箭发动机推力室发汗冷却传热过程的数值模拟(Ⅱ)数值方法与计算结果

对液体火箭发动机推力室发汗冷却传热过程的二维局部非热平衡模型进行了数值计算。计算中采用了正交曲线坐标系（贴体坐标）,并计及了冷却剂（氢）的热物性参数随温度和压力的剧烈变化及固体壁沿轴向的导热。结果表明：推力室多孔壁面中靠近燃烧室的部分温度梯度很大;固体骨架与冷却剂的温度差异在推力室内壁面上最大;推力室多孔壁面材料导热系数的提高有利于降低壁面温度及温度梯度;随着冷却剂流量的增大,推力室壁中的最高温度明显下降;若设计合理,发汗冷却所需要的冷却剂的量只占总流量的２％左右。     

不同材料发汗冷却结构下氢冷却性能

为了实现航空航天等领域高温大热流燃烧装置的有效冷却,研究了不同材料和工艺制成的发汗冷却结构在高温高热流密度下,氢的发汗冷却性能。模拟高压推力室的结构特点和高热流设计发汗冷却试验件,用电弧加热主流空气模拟高温燃气、以氢气为发汗冷却剂对多孔陶瓷、烧结多孔不锈钢和多孔层板材料进行了33次172 s热试验研究。试验的材料设计孔隙率为10%~40%,燃烧室压力为2.7~8.4 MPa,主流燃气温度约为3 600 K,主流空气流量为220~1 490 g/s,冷却氢气流量为9.6~57 g/s,注入率为0.005~0.029。试验结果表明:当冷却剂氢注入率为1%时,主流与多孔陶瓷材料壁面和粉末冶金多孔结构壁面之间的换热分别减少了30%和70%以上;当注入率为3%时,主流与光刻多孔层间结构壁面之间的换热也能降低60%。证明氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。最后还总结得出了常温氢气对高压大热流环境进行发汗冷却的性能关联式。      

发汗冷却喷管多孔壁面的分段设计分析

对于采用烧结多孔结构作为发汗冷却壁面的喷管,为最大限度的减少冷却剂流量,提出了对多孔介质壁面沿轴向进行分段的发汗冷却结构.通过采用Fluent软件对分4段结构的多孔壁面推力室发汗冷却进行数值模拟并且与不分段的发汗冷却喷管比较发现,分4段的结构在满足室壁温冷却要求的前提下可将冷却剂与主气流量百分比从28.3%降至12.6%,这表明烧结多孔结构分段设计是减少喷管发汗冷却剂流量的有效手段.      

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.     

层板结构冷却有效性的研究

基于一维多孔材料内传热理论,建立层板冷却的理论模型,应用由实验获得的各种层板结构的流阻和换热特性,由层板两侧的压差估算通过层板的冷气流量和层板结构的冷却有效性。对影响层板冷却有效性的因素进行分析,为层板的设计起到指导作用。在相同吹风比下,双层层板要比单层层板冷却有效性高,而三层层板与双层层板之间的差别不大。通过与传统气膜冷却方式的比较,可以发现,层板冷却具有以较少的空气达到较高的冷却效果的巨大潜力。      

液体火箭发动机推力室发汗冷却传热过程的数值模拟：（II）数值方法与计算结

对液体火箭发动机推力室发汗冷却传热过程的二维局部非热平衡模型进行了数值计算,计算吸要用了正交曲线坐标系（贴体坐标）并计及冷却剂（氢）的热物性参数随温度和压力的剧列变化及固体壁沿轴向的导热,结果表明,推力室多孔壁面中靠近燃烧室的部分温度梯度很大,固体骨架与冷却剂的温度差异在推力室内壁面上最大,推力室多孔壁面材料导热系数的提高有利于降低壁面温度及温度梯度;随着冷却剂流量的增大,推力室臂吉的最高温度明显     

Thermal state calculation of chamber in small thrust liquid rocket engine for steady state pulsed mode

This paper presents a method of thermal state calculation of combustion chamber in small thrust liquid rocket engine. The goal is to predict the thermal state of chamber wall by using basic parameters of engine: thrust level, propellants, chamber pressure, injection pattern, film cooling parameters, material of wall and their coating, etc. The difficulties in modeling the startup and shutdown processes of thrusters lie in the fact that there are the conjugated physical processes occurring at various parameters for non-design conditions. A mathematical model to predict the thermal state of the combustion chamber for different engine operation modes is developed. To simulate the startup and shutdown processes, a quasi-steady approach is applied by replacing the transient process with time-variant operating parameters of steady-state processes. The mathematical model is based on several principles and data commonly used for heat transfer modeling: geometry of flow part, gas dynamics of flow, thermodynamics of propellants and combustion spices, convective and radiation heat flows, conjugated heat transfer between hot gas and wall, and transient approach for calculation of thermal state of construction. Calculations of the thermal state of the combustion chamber in single-turn-on mode show good convergence with the experimental results. The results of pulsed modes indicate a large temperature gradient on the internal wall surface of the chamber between pulses and the thermal state of the wall strongly depends on the pulse duration and the interval.     

基于非协调单元的液体火箭发动机推力室热结构分析

用巴兹公式和发动机的热力计算数据,得到了推力室内的燃气壁面对流传热系数和燃气温度的分布,并用有限单元法计算了推力室的温度场.在温度场计算基础上,采用Wilson非协调单元,对推力室的应力场进行了计算,其中位移函数采用二阶形式,将计算精度提高到二阶.结果表明:相比常规单元,Wilson非协调单元在计算结构比较复杂,温度梯度比较大的结构时,精度比较高,结果合理.      

推进剂通道结构对太阳热发动机影响数值研究

运用数值模拟方法,通过改变推力室螺旋通道结构参数,对太阳热发动机(STP)能进行了详细的研究,深入分析了STP的推力,比冲、质量流量变化情况,得出了一般情况下螺旋通道的长度,宽度参数范围,同时比较了单、双通道的优缺点,所得的结论对STP推力室/热吸收室推进剂加热通道结构设计具有指导意义.      

液态水相变发散冷却的实验

以液态水为冷却介质,采用高温合金粉末烧结多孔材料制造平板实验件,实验研究了具有液态水相变的发散冷却特性.用远红外热像系统记录实验平板热端表面温度分布,通过热电偶及压力传感器监控冷却腔内温度和压力变化,从而分析液态水的相变过程.实验表明:随着液态水注入率的增大,平均冷却效率不断提高;当液态水在暴露于高温主流的平板表面发生气液相变时,平均冷却效率趋于稳定且不再大幅上升;主流温度与液态水注入率决定了液态水的相变位置,并对冷却腔内压力变化产生影响.      

液体火箭发动机层板式预燃室液氧发汗冷却热控制

讨论了富氧预燃室液氧发汗冷却的分析计算方法。发汗流对燃气热流的阻隔分析采用Ｂａｒｔｌｅ－Ｌｅａｄｏｎ修正方法来完成,室壁温度分布和热穿透深度应用结构层板与发汗流存在温差的传热模型获得。讨论了发汗流压降和控制流道长度对预燃室壁温的控制作用。