超燃冲压发动机二维热环境数值模拟

对超燃冲压发动机热环境进行了研究和计算.以二维N-S方程和一维瑞利加热规律为基础, 建立了超燃冲压发动机内流场的热环境计算模型;用MacCormark预测-校正格式编写了数值计算程序;对飞行马赫数Ma=6和Ma=8两种工况的超燃冲压发动机内部热环境进行了数值模拟, 得到了发动机内部流场的温度分布和壁面热流分布;对计算结果进行了分析.结果表明, 采用二维无反应流体计算和一维加热规律相结合的方法, 在超燃冲压发动机热环境研究中是可行且有效的.      

超燃冲压发动机支板热性能研究

针对双模态超燃燃烧室内分别处于上游(高速、较低总温)和下游(较低速、高总温)不同热环境下十字交叉布置的支板,通过数值仿真,从材料选择、辐射影响程度及主被动热防护措施三方面研究了支板换热问题,并且研究了不同冷却水流速对支板前缘冷却性能的影响。结果表明:上游支板受气动加热影响比下游支板显著;对于所计算工况,考虑支板与气体之间的辐射作用后,上下游支板前缘温度均下降约150K;对下游支板进行主动冷却效果明显,冷却水流速为10m/s能满足长时间工作要求。     

热沉式超燃冲压发动机非稳态热-结构分析

为了评估热沉式超燃冲压发动机非稳态热-结构特性,初步发展了数值模拟方法。将AHL3D计算的超燃发动机三维内流场结果作为输入条件,然后通过参考焓法得到热环境数据,最后将发动机流道的热环境数据和压载数据输入到热/力响应有限元计算程序。通过对地面试验发动机的非稳态热分析计算结果表明,数值模拟方法适用性较好;沿轨道飞行发动机在发动机点火前机体最大温度可达825 K,喷涂绝热涂层能够降低机体温度;发动机机体的应力和位移随着时间的增加而增大。     

RBCC发动机燃料支板热防护研究

分析了RBCC发动机在5.5Ma条件下不同工作模式时燃料支板所处的热环境,综合火箭射流以及二次燃烧对热环境的影响,设计了带有冷却通道的燃料支板主动热防护方案。研究发现燃料支板在火箭冲压工作模式下受火箭羽流以及二次燃烧双重加热的影响,热环境最为恶劣,燃料喷注所形成的液膜可以对支板中部起到保护作用,壁面温度沿气流方向整体呈"高-低-高"的分布趋势。在此种工作模式下开展了三种冷却通道方案的对比研究,结果表明通道数及单通道流量增加均可以降低受热严峻部位的表面温度,提高支板表面温度的均匀性,保障发动机长时间安全工作。采用开环冷却后的煤油组织燃烧,发动机比冲性能具有1.5%的提高。     

超燃冲压发动机主被动复合热防护系统方案设计思考

针对当前超燃冲压发动机热防护技术面临的困境,为了突破更高飞行马赫数下的热障限制,提出了一种采用冷却剂与被动材料共同承担热载荷的主被动复合热防护技术。分析了主被动复合热防护技术的设计内涵及总体设计原则,讨论了被动层承担的热载荷和被动复合材料的导热系数、厚度之间的关系,并以C/SiC作为被动复合材料,对比分析了主被动复合热防护方案的优势。研究表明,当C/SiC厚度为4mm时,大致可将马赫数为6.5,当量比0.5工况下的热流密度降低42%。      

超燃冲压发动机唇口气动热计算研究与分析

采用数值模拟方法,对超燃冲压发动机进气道唇口的气动热进行了计算和分析.依据唇口与前体激波所处相对位置的不同,分三种情形进行了计算研究.结果表明,三种情形下,进气道前缘驻点热流均大于头部.通过算例验证,证明该方法和结论的正确性.研究表明,激波干扰以及前体激波压缩后超声速来流使唇口热流增大,热防护和结构设计时应当予以充分考虑.      

RBCC发动机火箭出口结构热防护研究

基于目前RBCC组合发动机开展了火箭出口位置结构热防护的研究，该发动机结构形式为火箭从冲压发动机燃烧室侧壁嵌入，火箭出口紧贴冲压发动机燃烧室壁面。火箭出口超高温、高热流、冲刷大的特点，导致该位置热环境非常严酷，为了探索火箭出口位置热防护结构，开展了三种结构热防护方案的试验研究。研究结果表明，石英/酚醛内壳和高温合金外壳复合结构热防护方案能够满足30s量级的地面试验，能够满足火箭出口恶劣环境的热防护要求。研究结果还表明，热防护材料至关重要，高温合金材料不适合应用于火箭出口热防护；高硅氧/酚醛材料虽然基本能满足试验的热防护需求，但其抗烧蚀性能略低，尤其当材料完全炭化后产生的强度降低、收缩、分层、热导系数增加等问题，在更长时间试验中会导致热防护失效，针对这些问题，本文提出了进一步研究建议。     

超燃冲压发动机典型部件热防护

通过在电弧加热器上的试验考核,对进气道唇口前缘、注油支杆等发动机典型被动热防护部件的材料选择和热结构设计进行了研究.发展了主动冷却燃烧室热结构计算评估方法,将经过试验验证的热分析程序应用于燃烧室主动冷却结构的材料配置研究.材料C1和C2的进气道唇口前缘经过60s试验后情况良好;材料Z1的注油支杆经历50s试验后情况良好;将主动冷却燃烧室热分析计算程序应用于冷却面板试验,温度测量值与计算值最大相差55K,表明计算与试验符合较好,计算程序可为主动冷却燃烧室结构材料配置的设计研究提供可信的参考数据.研究所获得的经验和技术可应用于全流道超燃冲压发动机的设计与验证.      

固体火箭冲压发动机燃烧室热防护层烧蚀计算

为了研究冲压发动机燃烧室的热防护性能，用类比法计算了整体式固体火箭冲压发动机燃烧室壁面的烧蚀，其中考虑了热解气流对烧蚀的影响，并将国外有关固体火箭发动机喷管烧蚀计算时所用经验参数（指前因子）通过换算转换到冲压发动机燃烧室烧蚀计算中，计算结果符合物理规律，并与试验结果符合较好，该项研究为冲压发动机燃烧室热防护层的设计提供了有效的分析手段。     

超燃冲压发动机燃烧室新型热结构的优化设计

为了探寻超燃冲压发动机工程设计的方法,解决超燃冲压发动机燃烧室严峻的热防护问题,设计了一种基于碳化硅陶瓷基复合材料的复合结构形式的主动冷却结构方案;建立了超燃冲压发动机燃烧室热结构设计模型和燃烧室惰性质量估算模型;基于遗传算法,以热结构各层厚度、槽宽、肋宽和肋高为待优化参数,进行了单目标和多目标优化设计。以燃烧室惰性质量最小为目标进行优化设计后,惰性质量减少了21.7%,得到最小惰性质量下的热结构尺寸;以惰性质量最小、冷却液流量系数最低为目标进行优化设计后,得到了Pareto最优前沿及对应的热结构尺寸。     

接触热阻对疏导式热防护结构防热效果的影响

采用内置高温热管的疏导式热防护结构是一种新型高效的热防护方式,热管与高温复合材料之间的接触热阻(TCR)对防热效果有重大的影响。首先给出了一种疏导式热防护结构的计算模型,进而采用间接耦合的方法建立了由接触热阻引起的热力耦合问题的计算格式,在此基础上对不同预留间隙条件下的热防护结构进行了热力耦合分析,重点考察了接触热阻对其防热效果的影响。研究结果表明,采用预留装配间隙的方法可以有效降低结构的应力水平,但同时使得界面接触热阻增加,从而使得结构驻点温度升高,因此在采用预留间隙设计时必须在考虑界面接触热阻的条件下从结构强度和温度两方面对结构进行安全性评估。     

组合动力用过氧化氢煤油推力室热防护方案设计方法

本文面向组合动力对过氧化氢煤油推力室的应用需求,建立工程计算方法以进行热防护方案设计。通过修正燃气对流换热系数和引入液膜分解率完善工程算法,使工程计算结果与三维流固热耦合计算结果和实际试验结果符合较好。在此基础上,对组合动力用推力室进行热防护方案设计,结果表明：采用头部过氧化氢液膜和身部过氧化氢再生的方式可实现可靠热防护,其中,液膜流量在氧化剂中占比为30%。采用上述研究思路具备开展快速方案论证的能力,可在众多方案中选出热防护性能较优的方案。     

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.      

C/C复合材料与高温合金GH600之间高温接触热阻的试验研究

 在高超声速飞行器翼前缘的热防护技术方面,采用内置高温热管是一种新型高效的热防护方法,其中C/C复合材料结构与内置高温热管之间的界面接触热阻对传热效率及热力耦合起着至关重要的作用。本文自主搭建了一套高温接触热阻试验平台,并针对三维编织C/C复合材料与高温合金GH600在不同界面应力、界面粗糙度及界面温度下的接触热阻进行了试验研究。研究结果表明本平台在进行高温接触热阻试验研究上是切实可行的,利用该试验平台得到了三维编织C/C复合材料与高温合金GH600之间接触热阻的变化规律,有关结果可以为中国新型内置高温热管热防护结构的设计及安全评估提供参考。     

平面叶栅中冷气射流三维分离的数值模拟

为了研究冷气射流对平面叶栅气动特性的影响 ,采用三阶精度Godunov格式和B L湍流模型求解三维N S方程 ,对冷气孔处于气冷涡轮叶栅的轴向位置为 5mm ,10mm ,4 3mm和 5 0mm ,喷射角度分别为 3 0°,60°,90° ,12 0°条件下进行了 16组方案计算。结果表明 ,叶片前缘冷气孔角度对流场底影响较小。越接近叶片尾缘 ,冷气孔角度对流场的影响越明显     

轴向收敛造型对燃气涡轮叶栅端壁气膜冷却性能的影响

为有效评估轴向收敛造型对端壁气膜冷却性能的影响,数值研究了不同吹风比下,轴向收敛造型对跨声速燃气涡轮叶栅端壁上游双排离散孔绝热气膜冷却效率的影响。模拟某工业燃气涡轮真实运行工况（进口湍流度为16%、出口马赫数为0.85、出口雷诺数为1.5×106）,采用基于“两类热边界条件”模型的壁面传热系数和绝热冷却效率数值预测方法,比较分析了3种吹风比（1.0、2.5、3.5）下,简化平板端壁结构和轴向收敛造型端壁结构的端壁热负荷分布、绝热气膜冷却效率分布和近端壁二次流场结构,以及端壁上游气膜孔射流对叶片表面的二次冷却作用（幻影冷却）。结果表明:轴向收敛造型可以削弱马蹄涡强度,降低端壁热负荷,尤其是叶片肩部区域;轴向收敛造型可以显著增加端壁气膜覆盖范围和绝热气膜冷却效率,尤其在叶片前缘和压力面等难以冷却区域;随吹风比增加,轴向收敛造型对端壁气膜冷却特性的影响效果先增加后减小,在设计吹风比为2.5时,轴向收敛造型对端壁绝热气膜冷却效率的增强效果最显著（增加约35%）;轴向收敛造型显著增加叶片前缘和压力面幻影冷却面积,尤其是叶片前缘附近面积增加约100%（设计吹风比下,冷却区域达0.1倍叶高）,可有效减小叶片冷却的冷气需求流量。轴对称收敛端壁造型是进一步提高燃气涡轮叶栅端壁绝热气膜冷却效率、减小冷气流量,实现端壁高效冷却布局的有效技术途径。      

进口不重合和轴对称造型对跨声速涡轮叶栅端壁传热特性的影响

为有效评估实际燃气涡轮叶栅进口端壁不重合和轴对称收敛端壁造型对叶栅端壁传热特性的影响,以某工业燃气涡轮第一级跨声速导向叶栅为研究对象,基于商用CFD软件ANSYS Fluent 15.0,研究了3种端壁结构:简化平板端壁、具有子午面轴对称收敛造型的实际涡轮叶栅外端壁(叶顶)和内端壁(叶根)在设计工况(进口湍流强度为16%,出口马赫数为0.85)下的流动和传热特性。计算分析了2种进口端壁不重合度(进口后向台阶高度为0、 6.78 mm)下,3种叶栅端壁结构的端壁热负荷分布、近端壁二次流结构和后台阶涡系发展。结果表明:轴对称收敛端壁造型和进口端壁不重合均会显著改变叶栅端壁二次流结构和热负荷分布规律;轴对称收敛端壁造型可在一定程度上减小端壁热负荷,尤其是叶片前缘肩部和喉部下游等易发生热腐蚀的冷却气膜难以覆盖区域;燃气涡轮实际运行中产生的进口端壁不重合导致叶栅前缘上游典型高传热区面积和强度(增大约140%)显著增大并向叶栅通道内迁移,使叶栅端壁承受着极高热负荷;实际燃气涡轮第一级导向叶栅端壁冷却方案设计必须充分考虑实际端壁造型结构和燃烧室-涡轮交界面端壁不重合对端壁热负荷分布的影响。      

超声速飞行器综合热管理系统优化设计

针对飞行器超声速巡航时遭受机体外部气动加热与辐射换热的情况，提出了一套综合考虑燃油系统、冲压空气与消耗性冷却剂制冷系统及热防护系统的超声速飞行器综合热管理系统；针对典型的超声速飞行包线，基于二阶多项式响应面代理模型技术，以热防护层厚度、回油质量流量以及消耗性相变冷却剂质量流量为设计变量，以燃烧室进口燃油温度为约束条件，以变量引起的起飞重量增量及其燃油质量代偿损失最小为设计目标，采用自适应模拟退火算法对综合热管理系统进行了优化设计。结果表明：采用二阶多项式响应面代理模型计算的结果与仿真计算结果的误差低于2%；在本文选取的设计变量取值范围内，最优方案倾向于热防护层厚度和冷却剂质量流量取最小值而回油质量流量取中间值，且最优方案较第一组初始方案就目标函数而言减重约16%。     

Thermal protection mechanism of heat pipe in leading edge under hypersonic conditions

Sharp local structure, like the leading edge of hypersonic aircraft, confronts a severe aerodynamic heating environment at a Mach number greater than 5. To eliminate the danger of a material failure, a semi-active thermal protection system is proposed by integrating a metallic heat pipe into the structure of the leading edge. An analytical heat-balance model is established from traditional aerodynamic theories, and then thermal and mechanical characteristics of the structure are studied at Mach number 6–8 for three refractory alloys, Inconel 625, C-103, and T-111. The feasibility of this simple analytical method as an initial design tool for hypersonic aircraft is assessed through numerical simulations using a finite element method. The results indicate that both the isothermal and the maximum temperatures fall but the von Mises stress increases with a longer design length of the leading edge. These two temperatures and the stress rise remarkably at a higher Mach number. Under all investigated hypersonic conditions, with a 3 mm leading edge radius and a0.15 m design length, the maximum stress exceeds the yield strength of Inconel 625 at Mach numbers greater than 6, which means a material failure. Moreover, both C-103 and T-111 meet all requirements at Mach number 6–8.