丙二醇改性水溶液的发汗冷却实验研究

针对液态水相变发汗冷却实验中的振荡、表面温度分布不均及结冰现象,对液体冷却剂进行调研,选取丙二醇添加剂对液态水改性,在主流温度573K,雷诺数1.2×10⁴的亚声速高温风洞中实验研究了不同丙二醇改性水溶液浓度和注入率下多孔平板的相变发汗冷却特性。结果表明：随丙二醇浓度增大,多孔平板对改性水溶液的渗透率增大,多孔平板表面温度的振荡幅度减小,同时振荡周期内温度波峰降低。因此,使用丙二醇改性水溶液作为冷却剂,发汗冷却结构表面温度分布更加均匀,热疲劳损伤减小,承温极限升高,进而烧蚀风险降低,这对有效且高效的热防护系统设计具有重要意义。另外,注入率越大平板表面冷却效果越好,表面温度的振荡幅度越小,因此增大注入率也是改善多孔板表面温度波动的有效方式。     

超声速主流平板相变发汗冷却实验研究

液态水具有较高的比热容和很高的相变潜热,采用水作为冷却剂的相变发汗冷却技术是解决高超声速飞行器关键部位热防护的高效主动冷却技术。利用主流马赫数2.2,总温500K的超声速风洞实验台,研究了超声速主流条件下多孔平板相变发汗冷却规律,分析了注入冷却剂时的非稳态过程。研究结果表明,在超声速主流条件下,多孔平板表面平均冷却效率随着注入率的提升而上升,且多孔平板上游冷却效率高于下游冷却效率,发现液态冷却剂优先从上游流出多孔表面并朝下游铺展。提升冷却剂的注入率可以提升多孔平板表面温度的均匀性。冷却剂的注入压力受到水蒸气影响,随着注入率的增大先增大后减小再增大。在较小冷却剂注入率时(F=0.05%),多孔平板表面的冷却效率都保持在0.6以上,说明相变发汗冷却具有低冷却剂用量和高冷却效率的特点。     

单相液体发汗冷却规律实验

以超燃冲压发动机内支板结构的热防护问题为背景,制备了全烧结金属多孔介质支板结构,并对以液态水为冷却工质的发汗冷却特性进行了实验研究.实验结果表明:液态水发汗冷却能有效地减少支板壁面和高温流体之间的换热,当注入率为2%时,冷却效率可以高达93%;随注入率增大,发汗冷却的冷却效率趋近于100%,增幅逐渐减小;在该实验所采用的两种不同主流温度条件下,相同注入率、相同位置的冷却效率近似相等.对发汗冷却的冷却剂停止供应后的支板表面温度热响应特性进行了初步研究,根据支板内液态水蒸发的过程分3个阶段进行了分析.      

液体火箭发动机喷管发汗冷却研究

采用SSTk-ω湍流模型对液体火箭发动机喷管发汗冷却进行了全场耦合计算,考虑了不同孔隙率、变物性、可压缩性、多孔介质热弥散效应、微尺度流动以及传质等因素的影响,比对再生冷却分析了不同注入率对壁面温度、冷却效率以及边界层厚度的影响;结果表明平均注入率的增大使平均壁温以更大的比例降低,采用发汗冷却的喷管喉部不再是最高温的部位.将CFD计算结果分别与实验以及一维气动公式计算结果进行了比较,证实计算结果可靠.      

冲击/发散冷却壁温分布和冷却效率研究

针对高温升燃烧室长寿命火焰筒的要求,实验研究了孔排列方式、发散壁壁厚与孔径之比以及单位面积开孔率对壁温分布和冷却效率的影响.实验中冷却气为常温常压,主流速度20m/s,发散壁孔内气流与主流速度比为0.63,主流与冷却气温度比为1.6.实验结果表明:长菱形排布与正菱形排布相比冷却效率更高,但孔的排布方式对于壁温分布的影响较小;增大发散壁壁厚与孔径比可以增强冷却效果,并使壁温分布变得均匀;而减小单位面积开孔率对于壁温分布的影响较小,同时冷却效率也会降低.      

变物性与热辐射对发汗冷却过程的影响规律研究

采用两层k-ε湍流模型对高温条件下有发汗冷却时的矩形槽道内湍流流动和换热进行了数值模拟。计算结果表明:随着冷却气体流量的增加,在发汗冷却壁面附近主流气体的温度梯度大大减小,壁面温度、局部对流换热系数都迅速下降;变物性条件下同时考虑热辐射时数值计算得到的平均St相对值St/S_t0随修正注入率F/St0的变化比已知的常物性条件下的值小;随着高温气体温度的上升,变物性和热辐射对与高温流体接触的表面温度有较大影响,热辐射对壁面温度的影响比变物性更大,而对流换热系数所受的影响不大;当主流为高温气体(如:2500K)、而壁面温度较低时(如:800K)热辐射的影响不大,发汗冷却效果仍然很明显。      

发汗冷却中多孔壁面添质通道流动的实验和数值研究

发汗冷却相比常规主动冷却方式是冷却效率更高、覆盖性能更好的热防护技术。为了研究发汗冷却中的添质流动现象,通过带有红外热成像技术的发汗冷却实验平台,在雷诺数1.35×105和总温373K的来流条件下对金属颗粒烧结多孔材料的发汗冷却效果进行了研究,得到了在不同注入率条件下多孔壁面的温度分布,结果显示平均冷却效率与注入率之间近似呈线性关系,当氮气注入率为33.5%时平均冷却效率接近0.45。通过对比单温度方程的局部热平衡模型和双温度方程的局部非热平衡模型的模拟结果,显示局部非热平衡模型能正确反映发汗冷却过程中的换热过程,模拟结果和实验数据具有较高吻合度。模拟结果表明:多孔壁面边界层随注入率的增大而增厚,边界层增厚是发汗冷却具有较高冷却效率的原因之一。     

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。      

高温风洞中空冷涡轮叶片冷却特性的实验研究

为了研究涡轮叶片在高温燃气冲刷下的冷却特性,搭建了高温风洞环形叶栅实验台。采用红外热像仪对不同冷气流量比(0.016 ~ 0.036)及温比(0.47 ~ 0.58)工况下涡轮叶片吸力面冷却效率及温比特性进行了研究。结果表明:受叶片前后部冷却腔冷却特性的影响,吸力面前部和后部区域表现出了不同的冷却特性;在实验工况内,流量比从0.016增加到0.036过程中,叶片吸力面前、后部面积平均冷却效率分别增加了 30.4%和49.1%,相对温度分别降低0.017和0.049;当流量比不变,温比从0.47增加到0.58时,叶片吸力面前、后部面积平均冷却效率变化较小,分别减少了 2.9%和9.6%,相对温度分别增加0.013和0.015。     

温度比对导叶端壁冷却特性的影响

利用高温风洞及远红外热像技术,在两种主流/冷气温度比(1.53和2.29)和3种冷气/主流质量流量比(0.50%, 1.25%和1.50%)下,研究了温度比对导叶端壁综合冷却特性的影响。对比高、低温比下的实验结果发现:保持冷流温度不变,通过增加主流温度来提高温比,会使整个端壁表面冷却效率却显著增加；高温比改变了端壁表面的冷却特性,端壁不同位置冷却效率在高温比时增加的幅度不同,端壁高、低冷却效率区发生变化,适用于低温比的气膜孔布局方案可能并不适用于高温比；温比对端壁前缘冷却特性的影响较大,对端壁尾缘的影响较小。      

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。     

导叶冷却对涡轮级性能影响的数值研究

针对某高压燃气三维扭转涡轮导叶全叶身冷气射流进行了数值模拟,详细分析了在设计转速下改变冷气流量对叶片气动性能、冷却效率和叶栅通道损失的影响;对比分析了在冷气流量相同的条件下,改变转速对涡轮级性能影响.结果表明:不同冷气流量对导叶冷却孔附近区域的静压影响较为明显,而对下游转子的型面静压影响不大;导叶冷气射流对叶栅通道内主流气流角影响较小;冷气流量占主流流量由2.50%增加至6.25%,叶片绝热壁温降幅达11.19%,导叶叶栅通道总压损失和能量损失分别增加了12.95%和12.01%,而涡轮级功率和级效率分别降低了2.39%和1.51%.      

Numerical analysis of regenerative cooling in liquid propellant rocket engines

High combustion temperatures and long operation durations require the use of cooling techniques in liquid propellant rocket engines (LPRE). For high-pressure and high-thrust rocket engines, regenerative cooling is the most preferred cooling method. Traditionally, approximately square cross sectional cooling channels have been used. However, recent studies have shown that by increasing the coolant channel height-to-width aspect ratio and changing the cross sectional area in non-critical regions for heat flux, the rocket combustion chamber gas-side wall temperature can be reduced significantly without an increase in the coolant pressure drop. In this study, the regenerative cooling of a liquid propellant rocket engine has been numerically simulated. The engine has been modeled to operate on a LOX/kerosene mixture at a chamber pressure of 60 bar with 300 kN thrust and kerosene is considered as the coolant. A numerical investigation was performed to determine the effect of different aspect ratio and number of cooling channels on gas-side wall and coolant temperatures and pressure drop in cooling channels.     

液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热研究

为了预测液体火箭发动机推力室的复合冷却性能,建立了推力室再生冷却通道和超临界氢的三维仿真模型以及推力室内燃气和超临界氢膜的轴对称二维仿真模型。通过边界耦合发展了液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热的数值仿真方法。对航天飞机主发动机推力室内部燃气、超临界冷却膜、室壁和再生冷却剂进行了流动与传热耦合计算仿真研究。研究表明,仿真方法可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热,计算得到航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为129MW/m2,最高壁温为885K,冷却剂温升为192K,压降为8.8MPa,结果与已有数据吻合较好。模型和仿真方法可用于液体火箭发动机推力室冷却系统传热计算和冷却结构的优化设计。     

液体火箭发动机推力室发汗冷却传热过程的数值模拟 (Ⅰ)数理模型

针对液体火箭发动机推力室的发汗冷却传热过程建立了数理模型。模型中考虑了冷却剂与结构材料之间存在温差、并进行对流换热,即采用了局部非热平衡模型。同时,模型中还计及了冷却剂（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过程。     

利用红外技术进行层板冷却特性实验研究

为了研究层板冷却特性,应用远红外热像测温技术,对一个真实尺寸的层板结构进行了实验.层板的气膜孔、绕流柱及冲击孔直径分别为0.,0.8,0.8 mm,内腔高及总板厚分别为0.8,2.6 mm,孔柱数比为1:4:1.为了准确测量表面温度,采用了高精度热电偶校正法,建立修正关系;为了描述层板综合冷却效率,采用热像数字信号运算法,直接进行数据处理.实验在高温亚声速风洞中进行,实验结果展示了冷却介质注射量对层板冷却特性的影响,证明远红外热像技术用来研究层板冷却特性是一种有效的方法.      

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.