燃烧室缝槽气膜冷却方案研究

针对超音速飞行器冲压发动机高马赫数、长航时的特点,结合工程计算方法和设计思想,建立了燃烧室缝槽气膜冷却过程一维计算模型,详细研究了各主要因素对气膜冷却效果的影响,并给出了某型冲压发动机高温燃烧室缝槽气膜冷却结构参考设计方案。结果表明,通过改善结构布局,合理分配缝隙冷气流量,可以有效地提高气膜冷却效果、降低壁温,适应高温燃气参数分布对隔热屏的热防护要求。     

主动冷却超燃冲压发动机最大工作马赫数评估

采用主动冷却方式对超燃冲压发动机进行热防护是解决其长时间工作的有效措施。针对超燃冲压发动机燃烧室恶劣的热环境,设计了一种基于碳化硅陶瓷基复合材料的主动冷却结构,建立了发动机主动冷却结构设计的数学模型。引入发动机冷却液流量系数,从飞行器整体热防护角度出发,以发动机燃烧室主动冷却结构中冷却液的出口温度为依据来评价超燃冲压发动机可以达到的最大工作马赫数,以及分析发动机冷却液流量系数、飞行高度和燃烧室化学反应当量比对最大工作马赫数的影响。结果表明,增加冷却液流量系数、适当降低飞行高度、一定范围内提高化学反应当量比,可降低冷却液出口温度,从而提高发动机的最大工作马赫数。     

氢氧发动机非均匀圆孔头部气膜冷却数值模拟

氢氧火箭发动机燃烧室壁面热环境十分恶劣,头部气膜冷却是主要辅助冷却手段之一,圆孔头部气膜冷却是重要的设计方案。对圆孔型头部气膜进行了三维数值仿真研究,考虑推力室外部再生冷却的影响,通过全面数值实验分析了气膜流量占比、气膜孔直径和相邻气膜孔面积比等参数的影响,提出一种非均匀分布的圆孔头部气膜冷却方案。结果 表明,在氢氧火...     

150 N气氧/煤油发动机涡流冷却技术试验

为探索百牛量级姿控发动机采用气氧/煤油涡流冷却推力室的可行性,开展了涡流冷却技术的试验验证工作。在理论分析和数值仿真的基础上,完成了150 N气氧/煤油涡流冷却推力室设计。数值仿真结果表明:内旋流区域占燃烧室直径D_c的87.8%,燃烧化学反应发生在39%～81%R_c的环形区域。经热试考核,燃烧室点火可靠,工作稳定,燃烧效率达0.91;形成了有效的气膜冷却,壁面和头部热防护可靠,充分验证了内外双漩涡结构的存在。     

推力室头部最优气膜参数研究

为了获得影响氢氧火箭发动机推力室头部气膜冷却的最佳参数,针对气膜冷却多喷嘴气气燃烧推力室模型进行了三维数值模拟。数值模型采用了标准k-ε湍流模型、涡耗散概念模型分别模拟湍流及燃烧过程。采用正交试验法对不同气膜参数进行系统分析。结果表明:气膜的注入能够有效降低喷注器下游燃烧室壁面温度,且使推力室头部区域壁面温度分布更加均匀,同时对喷注器面也会起到一定热防护作用;气膜流量比对冷却效率和周向均匀性的影响较大,气膜槽缝结构的影响较小,选择合适的气膜流动参数和气膜槽缝结构参数,能达到周向更加均匀分布的气膜冷却效率;气膜的注入对于燃烧效率具有较大影响,相对而言,气膜槽缝结构因素的影响更大。研究结果可以为气膜冷却设计提供参考。     

超燃冲压发动机再生冷却结构的强化换热优化研究

超燃冲压发动机采用燃油冷却壁面的主动再生冷却方式,如何提高冷却效率、减少冷却用的燃油消耗量是当前面临的一大问题。类比于压力容器的等强度设计原则,提出了主动热防护的等壁温设计原则,对发动机主动再生冷却结构进行局部强化换热优化设计,通过优化冷却通道高度及人工粗糙度高度沿着通道壁面的变化规律,提高燃油的冷却性能。从算例得到,在超燃冲压发动机不同喷油量和不同燃油当量比情况下,为了达到壁面最高温度不超限,经过优化的强化换热壁面能够比非强化换热壁面少用冷却燃油30％以上,这对超燃冲压发动机主动热防护十分有利。     

液氧/煤油高压推力室液膜冷却环局部过热分析

液氧/煤油发动机高压推力室采用了多条液膜冷却环带技术。由于室压高和热流密度大,易出现冷却环带结构局部过热现象,局部过热（甚至局部烧蚀）有时发生在燃烧室收缩段的冷却环上沿。传热计算和对比分析表明,在降低边区混合比的同时,第一冷却环带流量增大25%,可使过热处气壁温下降约35℃。采取增加冷却环带流量、降低燃烧室边区混合比、改善液膜冷却局部喷注结构等措施有利于燃烧室壁面的热防护,可防止局部过热的发生。     

超燃冲压发动机再生冷却技术研究进展

针对超燃冲压发动机内部苛刻的工作环境,总结了再生冷却技术在裂解传热和工程化应用方面的研究进展.介绍了再生冷却过程中碳氢燃料的热裂解模型和传热研究的最新发现,认为裂解机理的研究制约着数值方法的发展,并影响着真实条件下的传热现象研究;分析了煤油再生冷却技术工程化应用的典型方案,复杂的耦合特性与材料间的工艺结合问题分别限制了系统多样化功能和主被动结合热防护技术的实现.目前需要在裂解机理的基础上构建可靠裂解模型和高效的数值计算方法,并广泛开展冷却通道内传热恶化和耦合现象的研究;重点解决系统中的耦合机理和材料间的工艺结合问题,从而推动超燃冲压发动机的工程化应用.     

超燃冲压发动机支板研究综述

以超燃冲压发动机支板工程设计及应用为研究目标,从燃料/空气掺混增强、燃烧强化、支板/凹腔一体化稳焰、支板阻力及支板热防护5个方面对国内外超燃冲压发动机中支板研究现状进行回顾与总结.认为支板可靠热防护是限制其工程应用的瓶颈,建议:1)采用燃料侧喷,利用超声速扰流气动掺混替代尾部交错结构机械掺混,降低支板阻力及热防护难度;2)飞行Ma＞7时,放弃支板/凹腔一体化结构,并使支板远离燃烧区域高温燃气,仅承受来流热冲击,以便现有材料及冷却技术能够解决支板热防护问题,且此时支板阻力主要取决于来流条件,推荐采用带有前缘角度、后掠结构的薄支板以减小支板阻力;3)结合多种手段对支板进行综合热防护,实现支板长时间可靠工作.     

液膜冷却对火箭发动机燃烧效率的影响

液膜冷却对发动机热防护和性能均有重要的影响,为了研究不同液膜注入条件对燃烧效率的影响,开展了燃烧室液膜冷却热试试验研究。试验中改变了射流流量、冷却孔的数量、射流倾角,并测量了两排分别位于正对冷却孔位置和两冷却孔之间位置的燃烧室壁温,计算了不同工况下的燃烧效率。结果表明:推力室点火后,液膜的注入会压低温度曲线上升的斜率;在热试实验研究中,在相同的液膜流量下,不同的液膜注入方式并未对燃烧效率产生显著的规律性影响;头部混合比在3.6附近时,液膜流量占燃烧室总流量的百分比每提高2.3,则燃烧室的燃烧效率降低约1。     

气膜冷却传热传质类比研究

应用SSTκ-ω湍流模型,对三维粘性掺混流场进行了数值模拟,得到了切向入射的超声速氢气膜在不同吹风比和被冷却面上的绝热温比分布,并通过冷却剂分布情况详细研究了其形成原因。计算结果表明：吹风比是决定超声速气膜冷却效果的重要因素,吹风比增大,冷却效果随之提高;不同曲率的曲面上,冷却效率的分布规律不同,凹面上冷却效果最好,这与低速气膜冷却不同;离散孔在被冷却面中心和两侧的冷却效果存在明显差异,引入一定的侧向倾角使这种差异趋向消失。     

液体火箭发动机液膜冷却研究综述

液膜冷却是液体火箭发动机的一种重要的冷却方式,具有冷却结构简单、冷却能力强等优点,一般与其他冷却方式结合,实现对发动机的冷却。液膜冷却对发动机的热防护可靠性和发动机比冲均有重要的影响。通过追踪国内外液膜冷却研究现状,从液膜的形成、中心气流对液膜的夹带作用、液膜冷却分析模型以及液膜冷却对发动机性能的影响等方面,梳理了液膜冷却的研究文献,总结了当前研究中存在的不足,并从冷却剂注入结构、中心气流对液膜夹带特性、液体火箭发动机液膜冷却计算方法和推力室冷却结构/技术方案等方面提出研究展望。     

晶格阵列结构与主流高超声速气膜冷却交互作用的数值研究

着眼于充分利用晶格阵列结构良好的传热强化特性改进高超声速飞行器内部主动冷却结构设计,探讨晶格阵列、Pin-fin阵列与主流高超声速气膜冷却相结合的热防护性能,并采用三维数值计算方法分析了Kagome、BCC晶格阵列结构以及Pin-fin阵列结构与高超声速气膜冷却的交互作用机制。研究表明,晶格阵列的扰流作用使冷却流体的肾形涡系在展向上与壁面的贴合程度更高,从而使气膜孔附近下游壁面的展向气膜冷却效率得到提高,有效改善高超声速气膜冷却覆盖效果。     

膜冷却推力室传热计算研究

介绍了推力室液膜冷却机理,并对膜冷却相关研究进行了综述,在总结已有研究成果的基础上建立了一套液膜冷却推力室传热计算模型,采用该模型对某液膜冷却推力室进行了传热计算,地面试车测量值与壁温计算值基本一致。     

对称结构DBD等离子体激励器改善气膜冷却效率的数值模拟研究

基于等离子体简化唯象模型,采用大涡模拟方法研究了激励强度和电极间距对于对称结构DBD等离子体激励器气膜冷却效率的影响。结果表明:由于等离子体激励的下拉诱导作用和展向动量注入效应,发卡涡的上抛过程受到抑制,壁面附近的展向速度增大,并且诱导产生的反肾形涡对削弱了肾形涡对的强度和尺寸,阻碍了高温主流向冷却射流底部的流动,冷却射流的附壁性和展向扩张能力均增强,气膜冷却效率提高。此外,气膜冷却效率随激励强度的增大而增大,随电极间距的增大而减小。     

小推力发动机膜冷却工程算法研究

为满足工程上对推力室内部传热流动分析的要求,应用分层流动理论,结合半经验传热和化学反应平衡模型,建立了分析小型液体火箭发动机推力室膜冷却的传热模型。以气氧/煤油发动机为例,初步实现了对定常情况下膜冷却过程的模拟。计算表明,冷却剂的质量分数,燃气的流动状态,喷注器尺寸等因素对冷却效果和发动机总体性能有重要影响。研究结果可为新一代小型液体火箭发动机的研制提供参考。     

针栓式推力室冷却特性试验研究

针栓式发动机具有推力调节简单、声学燃烧稳定性好和成本低廉等一系列优点,但目前对针栓式推力室的冷却特性掌握还不够深入,研制过程中曾多次出现因推力室冷却组织不好而烧蚀的问题。采用针栓式推力室试验件,对身部的冷却特性进行了深入研究,结果表明:推力室圆柱段前端的温度较低,无需采用专门的冷却措施;末端内侧气壁温度会达到约1650℃,局部存在明显的烧蚀现象,必须采取有效的热防护措施;下游冷却液膜量的变化对圆柱段的冷却特性影响较小。     

高超声速飞行器主动气膜冷却热防护数值仿真研究

为研究高超声速飞行器头部全覆盖保护情况下的气动热分布特征,文章提出一种微孔射流的主动气膜热防护方案,并对射流微孔分布进行优化;通过数值求解N-S方程,得到高超声速飞行器头部的驻点压力及表面、附近温度分布。研究结果表明,在主动气膜冷却热防护下,高超声速飞行器壁面温度可以降到1000 K以下。该方案可为未来高超声速飞行器的外壳设计提供参考。