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。     

轴对称喷管与圆转方喷管冷却换热特性的比较

为了解和比较轴对称喷管与圆转方喷管不同的再生冷却换热特性,分别对轴对称喷管(推力室)与圆转方喷管(推力室)建立计算模型,通过数值模拟的方法重点研究和比较了轴对称喷管与圆转方喷管的流场、壁面热流密度和温度分布、冷却剂温升和冷却通道压降等换热特性.计算结果表明:圆转方喷管由于型面不连续,在转方位置后壁面出现了温度和热流密度的峰值,从而导致沿周向壁面温度和热流密度的分布也不均匀.      

不同压比下冷却剂流量对塞锥再生冷却换热的影响

为了解塞式喷管发动机高低空不同的再生冷却换热特性,分别对二维型面内喷管和塞锥建立计算模型,采用数值模拟的方法,得出内喷管的冷却换热结果和出口参数,重点研究了塞锥在地面和设计点工作时的不同换热特性及其冷却剂流量的影响.计算过程中采用二阶迎风格式离散控制方程.计算结果表明:地面工况下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度和温度的影响较大,高空环境下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度的影响较小;在冷却剂流量相同的情况下,塞锥和塞锥底部在地面工况下的壁面温度要远高于在高空环境下的温度;在相同工况和相同冷却剂流量的情况下,塞锥壁面上的温度要远高于塞锥底部壁面上的温度.     

膨胀循环推力室再生冷却换热的数值模拟

为了解液体火箭发动机膨胀循环推力室再生冷却换热特性,采用数值模拟方法,研究了冷却剂流动方式、推力室圆柱段长度、圆柱段室壁加肋和气壁面粗糙度等因素对冷却通道压降、冷却剂温升、壁面热流密度和温度分布等换热特性的影响.计算过程中采用k-ε双方程湍流模型.计算结果表明:采取顺流冷却要比逆流冷却的冷却通道压降低,但同时冷却剂温升也低;对于室壁加肋结构,在肋个数相同而只改变肋高度的情况下,总换热量正比于总换热面积.      

冷却剂不同流动方式对膨胀循环推力室再生冷却换热的影响

为了解液体火箭发动机膨胀循环推力室再生冷却换热特性,对某一参考发动机推力室和另外两种面积比的膨胀循环推力室建立三维计算模型,采用数值模拟的方法,考察冷却剂的温升、冷却通道压降以及推力室内壁面温度和热流密度的分布情况.重点比较了不同燃烧室圆柱段长度、冷却剂不同流动方式以及不同面积比对以上结果的影响.计算过程中采用二阶迎风格式离散控制方程.计算结果表明:采用逆流冷却时,通过加长推力室圆柱段长度使推力室受热面积增加70%后,冷却剂温升提高了一倍左右;对膨胀循环推力室进行再生冷却时,采用顺流冷却要比逆流冷却的冷却通道压降低,但同时冷却剂温升也较低,并且对喉部壁面的冷却效果较差.     

发散冷却系统冷却能力的数值分析

以给定冷却工质质量流速下系统所能承受的最大热流表征冷却能力,对影响发散冷却系统冷却能力的主要因素进行了数值研究。理论分析和数值计算结果表明:发散冷却的冷却能力受冷却工质的吸热能力和冷却工质与固体骨架之间的换热能力共同制约。在小冷却工质质量流速下,发散冷却系统的冷却能力主要取决于冷却工质吸热能力,而随着冷却工质质量流速的增加,流固换热能力则逐渐成为决定冷却能力的主要因素,进而导致固体热导率和冷却工质比热容对发散冷却系统冷却能力的影响在不同冷却工质质量流速下存在显著差异。      

液体火箭发动机推力室再生冷却流动与传热计算研究

为了研究液体火箭发动机推力室再生冷却流动与传热的快速仿真方法,建立了推力室再生冷却的准二维模型,对航天飞机主发动机开展了再生冷却流动与传热计算仿真研究,对比分析了再生冷却准二维模型和三维模型的仿真计算结果。研究表明,两种计算模型均可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热。三维模型计算精度高,但计算用时较长。计算得到的航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为162.2MW/m2,最高壁温为1159.7K,冷却剂温升为244.0K,压降为8.5MPa。准二维模型计算结果精度略有降低,但计算时间较三维模型减小了90%。四个参数与三维模型计算结果的差异分别为0.3%,4.4%,8.6%和4.5%,在可接受范围内。本文的准二维模型计算时间短,适用于液体火箭发动机再生冷却结构的方案筛选和优化设计,三维模型计算精度高,适用于设计完成后的校核计算。     

液氧甲烷发动机台阶型冷却通道的耦合传热特性

为了研究液氧甲烷发动机再生冷却通道中跨临界甲烷的流动和传热特性,以及冷却通道较大幅度的突扩突缩对冷却效果的影响,采用整场直接耦合的方法对推力室三维耦合传热进行了数值模拟,考虑了燃气的非平衡流动.通过计算得到了推力室三维温度场和流场.计算结果表明：由于喉部截面附近存在较强的二次流,燃气侧壁面温度的最大值出现在喉部上游.由于突扩突缩处存在较强的旋涡运动,冷却剂的湍流强度增强,冷却剂侧表面传热系数显著提高,燃气侧壁面温度出现局部极小值,同时也产生了较大的局部损失.由于铜内衬热阻比镍外套热阻小得多,从燃烧室进入的大部分热量在冷却通道底面和侧面被冷却剂吸收.冷却通道底面的温度和热流密度沿程变化比顶面更剧烈.     

圆转方内喷管换热特性

为了解圆转方内喷管再生冷却的换热特性,采用数值模拟的方法,分别对内喷管燃气、壁面和冷却液建立不同的控制方程,进行流动和传热的耦合计算,得到了内喷管和冷却液的流场和温度场。计算结果表明:转方之后的扩张段,如果型面不连续,间断点之后出现压缩波,波后壁面的温度和热流密度出现峰值,成为另一个危险截面;而且不连续壁面的温度高于光滑壁面的温度,使扩张段圆周方向壁面温度分布不均匀,造成热应力的不均匀;冷却肋和高导热系数的锆铜加强了冷却通道的换热,使冷却肋附近的气壁温度低于冷却通道底部气壁的温度。     

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.     

低功率电弧加热推力器喷管温度与性能

电弧加热推力器利用直流电弧放电加热推进剂,并将加热后的推进剂通过拉瓦尔喷管高速喷出产生推力。电弧加热推力器的性能与其喷管内部复杂的传热与流动以及能量转换过程密切相关。分别以纯氩、氮、氢气以及氢/氮混合气为电弧加热推力器的推进剂,在推进剂供给流量4～270mg/s,弧电流4～12A,环境压力低于20Pa的条件下,实时检测了自然辐射冷却及推进剂再生冷却喷管的电弧加热推力器在运行过程中的喷管外表面温度、弧电压、产生的推力等参数及其变化,综合分析了喷管温度变化对推力器性能的影响。     

两层堆叠3D-IC层间液体冷却流动及换热特性

随着电路层的垂直堆叠,三维集成电路(3D-IC)的功耗密度成倍增加。具有良好散热能力的层间液体冷却是一种非常有效的方法。采用数值模拟的方法研究了雷诺数在150～900范围内面积为1cm2,针肋直径为100μm,通道高为200μm,通道间距为200μm的带有层间顺排微针肋两层芯片堆叠3D-IC内流体流动与换热特性。结果表明:与相应尺寸的矩形通道结构相比,带有层间顺排微针肋液体冷却3D-IC具有良好的换热效果。在雷诺数为770时,芯片的功率高达250W,其体积热源相当于8.3kW/cm3；较矩形结构通道,顺排微针肋结构的热源平均温度和热源最大温差只有46.34,13.96K,分别减小了13.26,21.34K。      

蒸汽腔平板微热管仿真及传热性能测试

平板微热管是一种新型的气液两相流传热器件,在空间有限的紧凑器件热控系统中应用更有优势,但是目前性能仍有很大提升空间。首先分析了具有蒸汽腔的平板微热管的工质输运特性,设计并制作了体积为45mm×16mm×1.75mm的蒸汽腔微热管,其中蒸汽腔的深度为200μm。制作了同样尺寸的无蒸汽腔微热管进行传热性能对比。试验结果表明,仿真分析与试验的温度差异在10%左右,高速图像采集系统采集图像与仿真图像可以较好地吻合。当输入功率为6W时,蒸汽腔热管的平衡温度为70.4℃,而相同功率下没有蒸汽腔热管的平衡温度为118℃。在1~6W输入功率下,蒸汽腔热管的平衡温度要明显低于没有蒸汽腔热管的平衡温度,因此蒸汽腔对于减小气态工质循环阻力,提高微热管传热能力有较大影响。本研究可为平板微热管的优化设计提供借鉴。     

带主动冷却的超声速燃烧室传热分析

介绍了流体、固体传热耦合的一维分析方法,对带主动冷却系统的马赫数2.5超声速燃烧室进行了传热分析。该分析以实验测量的燃烧室壁面静压以及超临界煤油换热特性数据为基础,考虑了燃气的高温离解效应,燃烧特性以及碳氢燃料的高温热物理特性,对不同燃烧状态、冷却条件下的主动冷却过程进行了分析。结果表明有燃烧时壁面热流可高达1MW/m2以上,是无燃烧时的2～3倍。当煤油流量较小时(当量比为0.45),冷却后的壁面温度仍偏高,而且冷却壁内温度分布不均匀。随着煤油流量的增加,冷却效果明显提高,冷却壁内温度分布趋于均匀;并且煤油的出口温度也显著减小。     

三维数值模拟再生冷却喷管的换热

为了解液体火箭发动机喷管再生冷却的换热特点，采用数值模拟的方法，对内喷管燃气、壁面和冷却液建立不同的三维控制方程，进行流动和传热的耦合计算。在计算中，假定喷管流动为冻结流动，考虑燃气向壁面的对流换热和辐射换热；采用二阶迎风格式离散控制方程，采用DO模型离散求解辐射换热方程，水蒸气的吸收系数根据Leckner公式计算。计算模型采用缩比热试车发动机，数值计算结果与实验结果吻合较好，较准确地模拟出了喷管的壁面热流密度，得到了喷管燃气和冷却液的流场和温度场，对高压再生冷却喷管的设计具有指导意义。     

跨声速叶栅中气膜冷却对平面叶尖流动和传热特性的影响

采用数值模拟的方法,研究了主流跨声速条件下,高压涡轮中平面叶尖上气膜冷却的流动和传热特性.在不带冷却的平面叶尖上,激波在端壁和叶尖表面来回反射,从叶片中部到尾缘,叶尖表面传热系数呈现条带状分布.采用气膜冷却方法后,冷却气体使得叶尖间隙内的流体减速,激波和叶尖上表面传热系数分布的条带结构不明显.冷却气体覆盖了冷却孔下游的区域,当冷却孔进口和叶栅进口总压比从0.7增大到1.0时,叶尖平均气膜冷却效率从18.7%下降到11.5%.和不采用气膜冷却的平面叶尖相比,当气膜孔进口和叶栅进口总压比为0.9时,叶尖平均表面传热系数增加了16.9%,传热量降低了8.7%.      

内喷管单元间隙对塞锥换热的影响

为了解内喷管单元间隙对塞锥换热的影响,建立塞式喷管发动机的三维计算模型,采用数值模拟的方法对不同背压不同冷却剂流量下的塞锥进行换热研究,得出不同工况下的冷却剂温升、压降以及壁面温度、压强和热流密度的分布情况,其中着重研究了内喷管单元间隙对塞锥换热的影响.计算结果表明:由于受单元间隙的影响,造成沿宽度方向上塞锥壁面的压强、热流密度和温度的大小分布不均,并且随着环境压强的降低,单元间隙的影响有减弱趋势.      

Design and experimental study of a micro-groove grinding wheel with spray cooling effect

The effectiveness of grinding fluid supply has a crucial impact on grinding quality and efficiency in high speed grinding. In order to improve the cooling and lubrication, through in-depth research of self-inhaling internal cooling method and intermittent grinding mechanism, a new spray cooling method used in high speed grinding is proposed. By referring to the structure of bowl- shaped dispersion disk, the grinding wheel matrix with atomization ability is designed; through studying heat transfer of droplet collision and the influence of micro-groove on the boiling heat transfer, grinding segment with micro-groove is designed to enhance the heat flux of coolant and achieve maximum heat transfer between droplets and grinding contact zone. High-speed grinding experiments on GH4169 with the developed grinding wheel are carried out. The results show that with the micro-groove grinding wheel just 5.4% of pump outlet flow rate and 0.5% of spindle energy is needed to reduce the grinding temperature to 200℃, which means the developed grinding wheel makes cooling high efficient and low energy consuming.     

自激励旋进射流冲击冷却的对流换热特性

对自激励旋进射流冲击冷却的对流换热特性进行了实验研究.通过对旋进射流出口速度进行频谱分析研究其流动特性,结果表明旋进频率显著地受喷嘴尺寸影响,而Strouhal准则数则受喷嘴尺寸和流量的影响都很小.冲击传热实验表明,由于旋进射流对周围流体的卷吸作用使得射流流速显著下降,强化换热效果反而不及普通的冲击射流,而且随喷嘴尺寸的变化,旋进射流与直射射流之间换热性能的差异也没有统一的变化趋势.旋进射流只有在水平外掠加热平板时,才可能获得比普通射流更高的对流换热系数.      

冲击/发散冷却层板隔热屏冷却性能及对比

为了分析对比新型冲击/发散冷却层板隔热屏冷却性能,论证其应用于加力燃烧室的可行性,在3种不同主次流总压比条件下对其进行了三维流固耦合传热数值模拟研究,并与某型波纹板隔热屏和单层平板隔热屏进行了相同工况的对比分析,得到了冷却效果、冷气用量、冷气热负荷和次流总压损失系数等的对比结果和变化规律.结果表明:冲击/发散冷却层板隔热屏具有较好的冷却效果,但其受主次流总压比变化的影响较大.相比某型波纹板,冲击/发散冷却层板隔热屏的冷气消耗量平均减少41.6%,单位面积冷气热负荷平均降低65.9%.