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。     

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。     

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。     

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。     

绝热气膜冷却效率的传热传质类比数值分析

为验证不同温度条件下的传热传质类比是否有效,应用CFD模拟方法分析了密度比(Rd)为1.5和2.5、吹风比为0.5和1.5工况下的平板双射流气膜冷却结构。双射流孔间流向距离(Ds/d)为3.0,横向距离(Dp/d)为1.0。通过传热和传质方法分别得到了气膜冷却效率。分析结果表明:传质方法与传热方法所获得的气膜冷却效率结果差距较小,二者偏差的主要原因是流体的热导率。     

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。     

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。     

液氧煤油发动机高压推力室冷却技术

针对液氧煤油发动机高室压推力室冷却技术,讨论了多条内冷却环带、人为粗糙度、内壁铣槽结构和隔热镀层等主要技术措施。对带人为粗糙度的平直通道内流动进行了二维和三维时均流数值模拟,分析了人为粗糙度局部强化换热机理。对多条液气膜冷却环带进行了数值模拟,分析了内冷却流量对冷却的影响。研究结果表明,合理设置人为粗糙度和采用冷却环带技术可有效降低推力室局部气壁温,以煤油为冷却剂的高压推力室冷却方案应以再生冷却结合多条液气膜冷却技术为主,综合采取人为粗糙度、高导热材料、隔热镀层等技术措施。     

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。     

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。     

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.     

冲压发动机燃烧室热防护技术

冲压发动机燃烧室热防护是其关键技术之一。隔热层烧蚀冷却、气膜冷却是冲压发动机常用的冷却方式。随着飞行器飞行马赫数和射程的增加,燃烧室的热防护问题越来越突出,必须发展先进的冷却技术才能适应其工作要求。提出了解决问题的三个途径:发展先进的耐热材料、采用新的火焰筒冷却技术、提高传统的气膜冷却效率。     

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。     

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。     

推力室多孔面板发汗冷却试验研究

为了研究液体火箭发动机推力室喷注器多孔面板发汗冷却特性,以缩比推力室挤压热试验的形式开展了多孔面板发汗冷却特性研究,试验采用常温气氢对喷注器多孔面板进行发汗冷却。发汗冷却试验共进行5次,燃烧室压力为3.9～7.6 MPa,燃烧室氢氧混合比为2.8～7.2。研究结果表明在本试验研究状态下面板燃气侧温度为680～830 K...     

几何结构对尾缘层板气膜冷却特性的影响

将层板冷却结构用于叶片尾缘叶盆侧,通过数值模拟改变冲击孔和扰流柱的排布,唇板厚度以及缝宽,研究其对劈缝气膜冷却的影响。结果表明,冲击孔和扰流柱位置的改变,对外部劈缝下游气膜冷却基本无影响;唇板厚度的改变对冷却效率和换热系数分布均有一定影响,唇板厚度减小,劈缝下游冷却效率降低,换热系数增大,相对于原始结构,唇板的改变使得劈缝下游气膜展向平均冷却效率提高65.0%;缝宽的改变对冷却效率和换热系数分布均有较大影响,缝宽越大,冷却效率越高,劈缝下游换热系数减小,劈缝间下游换热系数增大,相对于其他几种结构,缝宽增加劈缝下游的冷却效果最好,展向平均冷却效率最多提高116.5%。     

氢氧推力室再生冷却内壁故障分析

对某氢氧火箭发动机在热试车后推力室再生冷却通道内壁产生裂纹的故障建立了理论分析模型,并进行了温度场与应力场的耦合计算分析。分析认为,推力室内壁在连续的发动机热试车中出现故障的机理为较大的热载荷和机械载荷的组合促使推力室内壁的组合应力超过当地的屈服极限,产生较大的塑性变形所致。采用改善冷却通道的结构形式、燃烧室内壁采用适当厚度的隔热镀层、降低推力室内壁应力比R等措施可以提高再生冷却推力室的热循环寿命。     

推力室多孔面板氢发汗冷却传热分析

为了研究氢氧火箭发动机推力室喷注器多孔面板的发汗冷却特性,采用一维非热平衡能量方程模型对其进行了数值传热计算,计算模型考虑了冷却剂氢的变物性和多孔结构内固体与流体之间的对流换特征。分析总结了多孔结构固体导热率、孔隙率、颗粒特征直径和燃烧室热流密度等因素对多孔面板发汗冷却的影响。研究结果表明,选择较高导热率的多孔面板制造材料能够降低燃气侧面板温度和减小面板温度梯度;孔隙率一般在0.1～0.2为宜;随着颗粒特征直径增大冷却剂与多孔结构固体之间的换热能力明显下降,燃气侧面板温度呈先降低后升高的趋势。