轴对称矢量喷管的气膜冷却及红外辐射耦合计算分析

为考察喷管壁面气膜冷却以及红外辐射特性对高性能航空发动机壁温分布的影响,对燃气红外波带的光谱特性采用窄波段模型计算,对壁面-燃气辐射采用封闭腔模型计算,对喷管收敛段的气膜冷却采用绝热温比计算。对于包含喷管壁面、隔热屏、套筒的多层结构传热建立壁温-热流耦合的热平衡方程,用Newt on-Raphson求解得到喷管及内外结构的壁温。对NASA TN D-1988中试验台架发动机喷管扩张段的气膜冷却及壁温进行验证计算,并详细计算了收敛段采用多排缝槽气膜冷却的轴对称矢量喷管。结果表明:气膜冷却有效降低了喷管收敛段的壁温,使得喷管扩张段成为受热严峻的部位;扩张段偏转改变了扩张段壁面温度和红外辐射的圆周分布,沿偏转方向的壁温和红外辐射都明显低于偏转反方向的,2个方向上的平均壁温相差约4.8%,喷管在后半球的辐射沿偏转方向增强。数值模拟结果与试验测量值吻合良好,可用于发动机喷管壁温分布精确计算。     

矢量喷管内燃气辐射与壁面温度的耦合计算

选取内、外调节片和隔热屏建立几何模型,基于封闭腔净辐射模型和壁面热平衡模型建立了燃气辐射与喷管壁面温度的耦合算法.波段为1~5μm的气体辐射采用窄波带模型计算,其他波段不考虑气体辐射,建立辐射净热流密度-有效辐射亮度-壁面温度的关联式求解燃气与壁面的辐射换热,采用牛顿-拉斐尔森迭代法求解壁面热平衡方程计算其温度.对某轴对称矢量喷管(偏转20°),计算了喷管壁面的红外光谱辐射和辐射净热流密度,以及各部分结构的温度.作为验证,还计算了文献中某液体火箭发动机轴对称矢量喷管壁面的辐射净热流密度,与文献的结果进行对比一致性较好.研究表明:轴对称矢量喷管偏转段沿周向的辐射热流密度和温度差异很大,沿偏转方向部位壁面的温度和辐射热流密度都较低,偏转方向壁面的温度比相反方向大约低10%,辐射热流密度大约低50%.      

多种气膜冷却形式下轴对称矢量喷管壁温计算研究

航空发动机矢量喷管的冷却结构设计是研究矢量推进技术应用的关键问题之一。针对某偏转20°轴对称矢量喷管隔热屏采用的十种气膜冷却结构,建立基于壁面传热的热平衡方程,采用牛顿-拉斐尔森迭代法得出十种冷却结构下壁面及隔热屏的温度。其中气膜冷却采用有效温比经验公式计算,燃气辐射采用封闭腔净辐射分析法计算,并把本文计算的壁温与文献结果进行对比分析。结果表明:隔热屏对喷管收敛段有很好的冷却作用,采用气膜冷却可显著降低其温度;相对于受隔热屏保护的收敛段而言,喷管扩张段的受热形势较为严峻,温度更高,其冷却有待加强。     

火箭发动机喷管辐射及壁温的计算研究

研究了火箭发动机复合喷管的耦合换热及瞬态壁温的计算方法,考虑了扩散控制的C/C喉衬的稳态烧蚀,建立了封闭腔-净辐射模型计算喷管内的辐射换热,改进了喷管辐射换热的计算方法.计算了两种复合喷管的壁温随时间的变化,并与有关文献的结果进行对比.研究表明:在火箭发动机喷管的入口段,高温燃气对壁面的辐射换热热流比对流换热热流强;采用封闭腔-净辐射法计算火箭发动机喷管的辐射精度较高.      

考虑导热对流和辐射作用的轴对称收扩喷管壁温计算

基于N-S方程求解了包括引射流、加力燃烧室在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的流场,建立了考虑导热、对流换热和辐射换热作用的轴对称收扩喷管各层壁温分布的计算模型,包括隔热屏、喷管简体、外调节片三层结构.对某航空发动机进行了多工况计算,燃气的物性随压力、温度和油气比的变化采用了一系列精度较高的计算公式和计算方法.计算结果表明:基于密度求解器求解包含引射流在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的跨声速流场是成功的.隔热屏和收扩喷管筒体沿流向温度逐渐升高,喷管筒体壁温在喉部达到最大,在扩张段逐渐降低;收扩喷管外调节片壁温与收扩喷管简体的壁温变化规律相同,但是壁温最大值则位于喉部前某一位置.计算结果与经过试验验证程序的结果符合良好.      

矢量偏转对二元塞式矢量喷管红外辐射特征的影响

为了研究矢量偏转对二元塞式矢量喷管红外辐射特征的影响,首先通过喷管缩比模型的红外辐射特征试验,获得矢量偏转对喷管缩比模型红外辐射特征影响的试验数据及规律,并验证了红外辐射特征数值计算方法的计算精度。随后,采用经过验证的计算方法对全尺寸二元塞式矢量喷管在发动机地面工作状态下的流场特性与红外辐射特征进行了数值仿真,研究结果表明：当矢量偏转角由0°增加到20°,塞锥壁面温度分布基本不变,但喷管偏转压力侧壁面温度逐渐升高,最大增幅达到38.5%,喷管偏转吸力侧壁面温度逐渐下降,最大降低15.4%。塞锥是二元塞式矢量喷管最主要的红外辐射源,在尾向-20°~20°方向范围,塞锥的平均贡献不低于63.6%,最大高达91.0%。随着偏转角增加,喷管在水平探测面内的红外辐射强度逐渐减小,其中正尾向上的降幅最大,达到33.6%;在铅锤探测面内,辐射峰值方向朝矢量偏转方向偏移,但偏移角度小于矢量偏转角度。全尺寸模型仿真获得的矢量偏转对喷管红外辐射特征分布的影响规律与缩比模型试验的结论一致。     

轴对称矢量喷管红外特性的数值计算研究

研究了轴对称矢量喷管在光谱2100～5260cm-1范围内红外特性的数值计算方法,并开发了三维计算程序,可以计算喷管在加力与非加力状态下的红外辐射特性。计算中考虑水蒸气和二氧化碳的光谱吸收与发射,在加力状态下还考虑烟粒子的光谱吸收与发射。给出了在光谱2100～5260cm-1范围内,轴对称矢量喷管在加力与非加力状态下壁面及喷口辐射的计算结果。应用本文的程序计算某型实际发动机上轴对称矢量喷管红外特性的结果与发动机试车的实验结果基本一致。      

轴对称矢量喷管三维传热计算研究

采用封闭腔理论算法，利用矢量喷管的三维内流场数值计算结果，对轴对称矢量喷管的壁温分布进行了数值计算。计算结果表明，在非矢量状态，喷管同一轴向位置处的周向壁温基本相同，壁温分布可按一维处理。在矢量状态，喷管同一轴向位置处的周向壁温相对差值达15％，壁温分布呈现复杂的形式，必须采用三维计算方法计算壁温分布；喷管扩张段壁温明显高于非矢量状态，所开发的计算方法和程序既可用于轴对称矢量喷管的工程设计，也可为试验验证提供理论依据。     

辐射换热对平板气膜冷却性能影响

为了分析辐射换热对平板气膜冷却性能的影响,分别对不考虑辐射换热(耦合计算)与考虑辐射换热两种条件下的平板隔热屏进行了三维流热耦合数值模拟研究,并与绝热壁(不考虑隔热屏固壁导热)的计算结果进行了对比。辐射换热采用离散坐标法。得到了3种不同主/次流总温比(Rt)条件下气膜冷却效果、流场、单位面积冷流体热负荷以及流量系数的对比结果与变化规律。结果表明:气膜冷却效果沿流向逐渐降低,且随总温比的增加而降低;在展向上气膜冷却效果呈现中间高两边低的分布规律,最大与最小相对值在绝热壁条件下达到最大,为94.5%,辐射换热次之,为13.5%,不考虑辐射换热时最小,为9.8%。与不考虑辐射换热结果相比,辐射换热对气膜冷却效果的影响在流动方向逐渐变大,气膜孔附近展向温度梯度增大,冷流体热负荷增加了92.8%,二者计算的流量系数相差不大,为1.1%,与绝热壁计算结果相比,流量系数减小了13.1%。随着总温比增加流量系数减小,最大值与最小值相差不大,为1.1%。     

隔热屏位置对矢量喷管红外特征影响

建立了包括加力燃烧室隔热屏在内的轴对称矢量喷管内外流一体化流场计算模型,重点研究了某涡扇发动机隔热屏位置对矢量喷管扩张段壁温及通过矢量喷管喷口发射的红外辐射强度的影响.结果表明:基于密度求解器求解包含隔热屏在内的矢量喷管内外流一体化的跨声速流场、温度场和质量分数场是成功的;随着隔热屏覆盖喷管收敛段的长度增加,喷管扩张段壁温呈现出先下降而后上升的规律,存在一个最佳的隔热屏位置.最后利用作者提出的离散净辐射法,编制程序计算得到了隔热屏位置对通过喷管喷口发射的红外辐射强度的影响规律.      

不同压比下塞锥三维传热分析

为了解塞式喷管发动机在不同压比下工作时的再生冷却换热特性, 对一试验用塞式喷管发动机建立三维计算模型, 采用数值模拟的方法, 得到了不同压比下再生冷却塞锥壁面以及内部截面的压强、热流密度和温度的分布曲线和云图.计算过程中采用一阶迎风格式离散控制方程.计算结果表明塞式喷管发动机在较低压比的工况下工作时, 塞锥受热状况较为恶劣, 塞锥壁面出现压强和温度的峰值, 该截面内部的温度和温度梯度达到最大.      

Calculation of Wall Temperature for Aircraft Exhaust System with Considering Gas Radiation Heat Transfer

The coupled numerical simulation of flow field, solid temperature field, species concentration field and gas radiation transfer/ energy field based on statistical narrow-band correlated-k (SNBCK) model, is employed to accurately predict aerothermodynamic characteristic of aircraft exhaust system. A series of methods to increase computational efficiency and descend computational resources make it possible to finish the calculation in PC. The parameters of narrow-band model are evaluated by HITEMP line-by-line database. Three examples have proved the accuracy of using these methods to solve flow heat transfer coupled problem and radiation transfer/energy equation, which are the calculation of temperature distribution of water-cooling nozzle in rocket engine, the calculation of carbon dioxide absorptivity at 4.3 micron band, and the gas radiation heat transfer evaluation of the cylindrical furnace. Finally, the inner flaps temperature distribution of ejecting nozzle with floating outer flaps is computed, under high-altitude, high-speed and afterburning conditions. Two completely different air-inlet schemes of ejecting channel almost achieve the same effect in cooling inner flaps.     

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.      

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。     

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.     

高压涡轮导叶内冷通道流动特性计算分析

涡轮叶片内部冷却特性直接影响到叶片的壁面温度分布,必须对其展开详细的研究。本文利用网络法计算研究了某高压涡轮导叶内部冷却通道中的流动和换热特性,并进行了相应的流量特性试验研究。结果表明,改进后的计算程序可以较为准确地模拟出叶片内部冷却通道中的流量分配和压力、温度分布,以及冷气沿径向和弦向的压力损失。流量特性计算结果与试验结果吻合较好。