不同横向距离下双射流孔流动与冷却特性实验研究

通过实验方式,在平板上对不同孔间横向距离(p/d=0,0.5,1.0,1.5,2.0)下的双射流气膜冷却结构进行了研究。使用七孔探针测量了孔下游不同截面处的时均流场,使用压力敏感漆(PSP)测量了平板表面的气膜冷却效率。孔间流向距离(s/d)为3.0。吹风比(M)为0.5,1.0,1.5,2.0,射流-主流密度比为1.0。研究了孔间横向距离对双射流间相互作用,及其流动和冷却特性的影响。结果表明,p/d=0时,孔间相互作用体现为压附效应,下游射流被上游射流压向壁面并保持贴附,气膜冷却效率对吹风比不敏感。p/d=0.5与1.0时,反肾形涡效应主导,两股射流均被压向壁面,气膜覆盖较好,冷却效率较高。p/d≥1.5时,压附效应基本消失,反肾形涡效应减弱,射流间距增加,气膜覆盖变差。     

静叶栅上游端壁双射流气膜冷却特性实验

为了进一步挖掘上游端壁气膜冷却的潜力,在低速叶栅风洞的静叶片上游端壁上,实验研究了双射流构型的气膜冷却特性,并与双排圆孔进行了对比。探究了吹风比(M=0.5,1.0,1.5,2.0)、密度比(Rd=1.0,1.5)的效应。端壁表面的气膜冷却效率通过压力敏感漆(PSP)测得。结果表明,吹风比的增大虽然会加剧吹离现象,但同时也会促进叶栅通道中、后段的气膜覆盖。密度比的增大会抑制气膜吹离,促进气膜横向覆盖和提高平均冷却效率。双射流孔相比于圆形孔,冷却气流在孔下游形成了反肾形涡,较好抑制了气膜吹离;但从双射流孔喷出的冷却气流对于叶栅通道内的涡系也更加敏感。在高吹风比下,双射流孔的冷却效率相对于圆形孔有一定的优势,特别是双射流I构型。     

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。     

气膜孔形状对高超声速飞行器对撞流气膜冷却效果的影响

文章通过仿真分析手段研究飞行高度50 km、飞行马赫数15的飞行条件下,不同孔型对对撞流的影响,得到不同孔型对气膜冷却效果的影响规律。采用计算流体动力学(CFD)方法,对在入口压力0.5 MPa、质量流量22.5 g/s的稳定短模态(SPM)工作模态下,气膜孔为圆柱直孔、收缩孔、连续扩张孔、分段扩张孔等工况开展对比研究,结果显示,扩张孔气膜冷却的壁面热流最大,圆柱孔的次之,收缩孔的最小。这表明,通过改变对撞流气膜孔的形状可以改变气流流动特性,进而产生不同的气膜冷却效果,在SPM工作模态下收缩孔的气膜冷却效果最好。     

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。     

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...     

上面级发动机推力室喷管延伸段气膜冷却研究

上面级发动机采用四氧化二氮/偏二甲肼为推进剂,将涡轮排气引入推力室喷管气膜冷却喷管延伸段.仿真计算和热试车表明：推力室主燃气与涡轮排气压力在同一截面处相等,涡轮排气沿喷管延伸段壁面流动形成紧贴喷管壁面的气膜,对主燃气无扰动,对喷管延伸段起到冷却保护作用.推力室喷管延伸段传热计算值和热试车延伸段温度测量值吻合,排气集合器内压力基本均匀,满足工程应用需要.     

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。     

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。     

镍基单晶冷却叶片高温持久性的理论与试验研究

采用含有0~4排气膜孔的薄壁平板试样模拟镍基单晶冷却叶片,研究了气膜孔排布对镍基单晶冷却叶片高温持久性的影响,并基于晶体塑性理论建立单晶材料蠕变数值计算模型,将其编入Abaqus用户子程序中,对不同气膜孔排布的薄壁平板试件进行有限元分析。试验结果表明,在气膜孔数相同的情况下,随着气膜孔排数的逐渐增多,冷却叶片高温持久寿命不断降低,且下降趋势逐渐加剧。文中提出了基于有限元数据的高温持久寿命预测幂函数模型,在对应孔排布、应力、温度条件下,其相对误差均小于3%,有限元分析得到的应力场分布结果与试样的断口形貌相吻合。     

燃气源控制气流热效应数值模拟研究

为了解迷宫形导热套环与流体之间的热交换对控制气流温度及压力的影响,采用整体求解法求解控制气流与多层套环之间的耦合传热问题。为确保计算结果在物理上的真实性,采用“假密度法”求解以温度T为求解变量的能量方程。计算得到了控制气流参量随时间的变化情况以及迷宫形多层导热套环的温度在不同时间点的分布情况,结果表明流场的三维复杂结构使得每个小孔射流与各层套环的传热情况都不同,流体与固体区域之间的换热量随时间变化,其中内套环和中套环对流体的吸热量随时间的增长而急速下降,从而导致控制气体的温度和压力都随时间而逐渐增大。计算所得的控制气流温度和压力与试验测量值的变化趋势相同,验证了计算方法的有效性。     

放置倾角对轴向槽道热管传热特性影响的实验研究

对常温梯形轴向槽道热管在不同放置倾角下的传热特性进行了实验研究，着重分析了热管的放置倾角对轴向温度分布、最大轴向温差、总热阻、当量换热系数、最大传热量的影响，旨在为航空热管的地面性能测试提供参考。实验结果表明：热源在下垂直放置热管的蒸发段和冷凝段的当量换热系数分别是水平放置热管的1．5倍和2．5倍。热源在上倾斜放置的热管，水平放置的热管、热源在下倾斜放置的热管的平均总热阻成一个数量级递减，蒸发段的最大输入热流量依次递增一个数量级。     

喷管喉衬背壁绝热层后效传热炭化分析

针对目前喷管喉衬背壁绝热层后效传热炭化缺乏定量分析的现状,通过材料模型、载荷模型的研究工作,建立能够满足喷管后效传热分析精度要求的喷管温度场有限元计算方法,并通过缩比试验喷管温度场计算与试验测试结果的对比分析进行验证。在此基础上,开展了背壁绝热层后效传热的仿真分析,掌握了后效传热炭化分析方法,并得到了解剖测试结果的验证。研究结果表明,背壁绝热层的炭化大部分发生在后效传热期间。利用该方法进行了全尺寸喷管的背壁绝热层后效炭化分析工作,提出了根据温度计算结果进行裕度评估的方法。评估结果表明,全尺寸喷管的背壁绝热层设计厚度有减薄空间。     

基于微元能质比的辐射器散热性能分析方法

对管肋式单相流体回路辐射器的散热性能计算方法进行了研究。首先建立了管肋式辐射器传热过程数学模型及微元能质比(辐射器微元段单位质量散热能力)表达式,并采用数值求解方法得出了微元能质比随工质温度呈现二次曲线的变化规律,进而提出了以辐射器微元能质比为基础的辐射器散热性能分析方法,以神舟飞船辐射器为例进行了求解验证,证明采用此方法求解辐射器散热性能有效且方便快捷,具有较强的实用性和良好的工程应用价值。     

分离式陶瓷基高温热疏导系统的耦合传热特性

对采用高温陶瓷基复合材料的高超声速飞行器分离式热疏导系统,建立了气动加热下 ,高、低热流区材料内导热－辐射与疏导通道内对流换热的耦合传热模型。采用控制容积法 结合蒙特卡罗法计算两区域陶瓷基复合材料内的导热－辐射换热,并与热疏导通道热平衡方 程耦合求解。通过模拟计算,分析了气动加热热流比、辐射散热面积比、材料光学厚度、导 热－辐射参数、对流－辐射参数对热疏导系统传热性能的影响。初步获得了提高分离式热疏 导系统传热性能的各参数调节规律。
     

航天器真空热试验用加热板的数值仿真

文章针对加热板在航天器热试验中的传热特点,利用Thermal Desktop软件建立了加热板和空间模拟器热沉的热数学模型,分析了电热丝数量、加热板材料和液氮管路布置方式对加热板升、降温时间和温度分布的影响;建立了模拟星、加热板和热沉的热模型,分析了加热板和星表间距对模拟星表面温度的影响。根据分析研究结果,提出了加热板设计及其在航天器热试验中的应用方法建议。     

薄膜区传热传质蒸发对毛细蒸发弯月面稳定性的影响

蒸发毛细弯液面的稳定性对两相传热装置的运行有着重要意义。由于弯液面的蒸发50%以上发生在一个微小区域,即延展薄膜区,可以预期不稳定性将最先产生于这一区域。为对蒸发弯月面的稳定特性进行机理性研究,首次提出一种将线性稳定性分析与薄膜区传热传质数值分析巧妙结合的研究方法。该方法通过传热传质数值分析获得能够反映弯月面稳定特性的特征膜厚和长度,并将其应用于线性稳定性判据以获得弯月面的临界过热度。分析表明,两种方法的结合可以有效揭示蒸发弯月面的稳定机制,特别是毛细管半径、弯液面温度和工质的热物性对弯月面稳定性的影响。与相关文献报道的实验结果比较,证实了该方法的有效性。     

一种高超声速稀薄流激波干扰气动热测量技术

针对高超声速稀薄来流条件下的激波干扰气动热测量问题，设计了一种适用长时间、中低热流量值(5~500 kW/m2)的带封装结构的量热计，采用空气隔热设计方式降低其侧向传热，实现了有效一维传热，延长了测试时间；并通过热流传感器标定试验，实现了热流高精度测量。为验证量热计的测量性能，开展了地面标定实验和基于双锥模型的高超声速低密度风洞激波/边界层干扰实验(M10和M12)，量热计与同轴热电偶的测量结果进行对比分析。研究结果表明，本文所设计的量热计适用于稀薄来流条件下激波干扰引起的复杂气动热问题的热流测量。相比于同轴热电偶，量热计响应时间较慢，但对于较大热流，由于极大减轻了侧向传热的影响，测量精度较高。同轴热电偶对低量值热流(5~20 kW/m2)的测量性能较好，信噪比(SNR)较高。研究成果为开展高超声速低密度风洞稀薄流激波干扰气动热试验研究提供支撑。     

月球着陆器两相流体回路性能衰退分析与验证

针对嫦娥三号着陆器两相流体回路12个月球昼夜的寿命需求，开展了氨分解导致两相流体回路传热温差增量的分析和试验验证，结果表明寿命末期不凝气体引起传热温差增量不超过2.2 ℃，同位素核热源(RHU)向探测器的供热量减小0.6 W，设备温度整体降低0.6 ℃，对热控系统影响可忽略。根据在轨遥测，寿命周期内，两相流体回路工作在45 ℃~50 ℃时不凝气体引起的传热温差增量不超过1.5 ℃，与地面验证结果吻合较好；经历52个月球昼夜周期内，传热温差在3.5 ℃~4.7 ℃内波动，在轨工作良好。