燃烧室壁面鳞片型气膜孔流动与冷却机理分析

为了研究某型发动机燃烧室内的鳞片型气膜冷却孔流动及冷却机理,采用平板模型及燃烧室模型进行数值模拟研究,揭示鳞片型气膜冷却孔对燃烧室壁面冷却特性及燃烧特性的影响。结果表明:鳞片型气膜孔的鳞片结构有利于消除外卷对涡,增强气膜展向动量,具有较好的气膜冷却效率和展向覆盖特性;鳞片型气膜孔结构能有效降低冷气流量,提升冷却性能,应用鳞片气膜冷却孔的燃烧室壁面气膜冷却效果更优于应用平圆孔的;应用鳞片气膜冷却孔的燃烧室出口温度分布系数(Out let Temperat ure Di st r i but i on Fact or,OTDF)较低。     

多斜孔壁与机加环气膜冷却燃烧室面换热特性数值研究

数值研究了在燃烧室实际工作条件下,多斜孔壁冷却燃烧室和机加环气膜冷却燃烧室的流动、换热特性,比较分析了内、外壁温度场以及冷却流量的变化.研究发现,采用多斜孔壁后,壁面冷却效果得到强化,相比机加环气膜冷却燃烧室,燃烧室前段壁温略有升高,而后段受到气膜冷却效果增强的影响,壁面温度有所降低,壁面温度梯度明显减小.流量系数明显减小,冷却空气量降低23%,用于组织燃烧用气量增加.多斜孔壁冷却技术可以为高温升燃烧室的发展提供有效的冷却技术.      

基金档案

[项目编号]2008ZB52014[项目负责人]张靖周[依托单位]南京航空航天大学脉冲爆震燃烧室气膜冷却的非定常流动和传热特性研究完成情况简介:本项目基于试验研究,揭示了脉冲爆震频率对于壁温和热负荷的影响,     

涡轮叶栅端壁气膜冷却数值模拟

对前缘上游有双排气膜孔的涡轮叶栅端壁气膜冷却进行了气动和传热数值模拟。计算模拟了两排26个气膜孔,每个孔截面的网格数达到近200个,计算域包括了供气腔。计算得到了端壁气膜冷却的冷却效率分布并进行了冷气射流粒子示踪。计算揭示了端壁气膜冷却的流动与传热传质机理,并据此提出了端壁抛射气膜冷却的概念。结果表明数值计算可模拟气膜冷却的主要流动与传热特征,但在数值的准确性上还需要进一步的完善。     

多斜孔冷却火焰筒燃烧性能试验研究

为了保证高温升燃烧室火焰筒壁温,进行了多斜孔冷却火焰筒燃烧性能试验.通过对多斜孔冷却火焰筒和常规气膜冷却火焰筒的试验对比,研究了多斜孔冷却火焰筒的燃烧性能.研究结果表明:与常规气膜冷却火焰筒相比,多斜孔冷却火焰筒具有冷却空气量少、火焰筒壁温低和温度梯度小等优点;采用了多斜孔冷却方式的火焰筒,其温度场、燃烧效率、火焰筒壁温和慢车贫油熄火油气特性等燃烧性能均达到或超过了常规气膜冷却火焰筒的水平.     

旋转爆震发动机燃烧室气膜出流影响数值研究

针对旋转爆震发动机（RDE）壁面的高热负荷问题,开展旋转爆震发动机燃烧室壁面气膜冷却的数值仿真,探究气膜出流与爆震波、斜激波和燃烧室流场之间的相互作用以及气膜对壁面的冷却特性。研究结果表明:爆震波对气膜的压缩和冷却孔的堵塞作用明显,气膜对爆震波整体的传播特性影响较小。受爆震波和燃烧室流场的影响,气膜出流存在周期性的摆动情况,这在一定程度上影响了壁面的冷却效果。在爆震波覆盖的壁面区域,峰值壁温下降程度有限,但时均壁温的降幅超过26.9%;在斜激波覆盖区域,随着冷气量的增加,峰值壁温和时均壁温的降幅超过32.5%和51.3%,气膜对该区域壁面的冷却效果更加明显。      

多孔隔热壁温度场气动传热耦合计算方法

研究了燃烧室多孔隔热壁温度场气动传热藕合计算新方法。特点是综合应用工程热力学、空气动力学、传热学(包括导热、对流换热及辐射换热)的基础理论,结合数值传热学的理论和方法,考虑了压力(压差)、流速(流量)、温度(温差)及热量等诸多参数的相互耦合影响的关系,包括气膜孔内壁与冷气对流换热的影响。所发展程序在给出燃烧室进出口必要的气动参数后,即可直接计算出带环状缝隙及多个气膜冷却孔的燃烧室隔热壁温度场。      

燃烧室室壁冲击／气膜复合冷却壁温分布研究 （一）实验部分

在模拟实际燃烧室室壁加热情况下，对三组不同几何参数的冲击／气膜复合冷却结构进行了热态实验研究，得到了不同冷却气流量下沿轴向的壁温分布，并与纯气膜和夹层气膜冷却的相应实验结果进行了分析比较，冲击／气膜冷却效果优于纯气膜和夹层气膜冷却。     

复合材料主动冷却薄壁燃烧室设计分析

通过建立流固耦合传热模型,对不同尺寸冷却通道的主动冷却薄壁燃烧室结构瞬态传热特性进行数值模拟,给出了主动冷却燃烧室的瞬态温度场分布及其演化.再采用有限元法计算燃烧室的热应力和应变,从而揭示了冷却通道几何参数及内部煤油体积流量对燃烧室薄壁结构最高温度和热应力的影响规律.计算结果表明:在充分发挥煤油冷却效果前提下,冷却通道距离燃烧室内壁距离越近,所需煤油体积流量越大,而燃烧室结构热应力在10s左右达到最大值,设计时应着重考虑这段时间内的材料性能.      

航空发动机燃烧室冷却结构的发展及浮动壁结构的关键技术

随着航空发动机燃烧室性能的提高,燃烧室火焰筒热防护问题显得越来越突出.燃烧室内采用浮动壁结构可以减小壁面热应力,改善火焰筒的受力状况.介绍了火焰筒冷却结构的发展历程,包括气膜冷却、多斜孔冷却和多孔层板冷却,并对它们的优缺点进行了阐述;分析了浮动壁冷却结构的发展状况、技术特点和在浮动壁结构基础上采用冲击/发散气膜复合冷却结构的效率;阐述了浮动壁结构的关键技术（材料、制造工艺和冷却结构特征等）;展望了冷却结构和浮动壁火焰筒在未来航空发动机中的应用.     

亚燃冲压燃烧室隔热屏壁温试验研究

亚燃冲压燃烧室在高空、高马赫数下工作时,其进气温度很高,冷却空气量少,给冷却设计带来很大困难.本文通过试验,研究了热障涂层和两种不同燃油喷射方式对某型亚燃冲压燃烧室隔热屏壁温的影响.结果表明:热障涂层对降低隔热屏壁温有一定的作用,喷油孔分布均匀的燃油喷射装置对冲压燃烧室冷却设计更有利.本研究可为亚燃冲压燃烧室的冷却设计...     

Review on active thermal protection and its heat transfer for airbreathing hypersonic vehicles

Hypersonic vehicles with turbojet, ramjet, and scramjet engines are expected to be widely applied to future transportation systems. Due to high-speed flight in the atmosphere, body outer surfaces suffer strong aerodynamic heating, and on the other hand, combustion chamber inter walls are under extremely high temperature and heat flux. Therefore, more efficient and stable active cooling technologies are required in hypersonic vehicles, such as regenerative cooling, film cooling, and transpiration cooling, as well as their combinations. This paper presents a comprehensive literature review on three active cooling methods, i.e., regenerative cooling, film cooling, and transpiration cooling, and deeply analyzes the mechanism of each cooling method, including the fluids flow, heat transfer, and thermal cracking characteristics of different hydrocarbon fuels in regenerative cooling, the heat transfer and flow mechanism of film cooling under supersonic mainstream conditions, and the heat transfer and flow mechanism of transpiration cooling.     

冲压发动机燃烧室多斜孔隔热屏的冷却特性

用数值模拟的方法,研究了冲压发动机燃烧室隔热屏多斜孔冷却特性及设计方法.首先计算了冲压发动机燃烧室采用无孔隔热屏时隔热屏的温度分布,在此基础上根据高温区的分布设计了多斜孔隔热屏孔阵的分布(方案A),然后计算得到了多斜孔隔热屏的温度分布.采用类似的方法又经过2次多斜孔分布的改进(方案B、方案C),取得了冷却效果较好的多斜孔非均匀分布方案.研究结果表明:采用此设计方法在冷却流量由A方案的17.45%降低到方案C的14.99%的情况下,隔热屏最低冷却效率由方案A的70%提高到方案C的85%.      

涡轮与冲压组合动力高温进气预冷特性

针对涡轮基冲压组合循环发动机中高温进气影响涡轮发动机性能的问题,开展实际某高空模拟试验进气预冷段的数值分析。基于欧拉-拉格朗日多相流方法解析气液两相热质传输过程,探索射流冷却对不同高空高马赫数进气条件时预冷段内温度和压力的沿程变化规律。结果表明,射流冷却对流场具有明显地温降效果。带有射流装置的预冷段内流动损失是以由黏性耗散所引起的耗散熵产为主,而由气-液传热温差所引起流场温度梯度变化的加热熵产并不显著。对比高空模拟试验进气工况在射流量4%~7%的冷却效果发现,预冷段内气流温降程度为32.30~90.08 K,冷却前后总压降系数范围由1.42%~1.86%降低到0.95%~1.46%。因此,射流冷却技术在一定程度上改善涡轮发动机在高空高马赫数工作时进气流场特性。      

超燃冲压发动机再生冷却U型通道的热传导模型研究

本文主要对超燃冲压发动机再生冷却通道进行了设计和改良。首先提出U型冷却通道这种往返式流道的通道结构,并针对传统的同向流道和U型通道分别进行了一维程序建模,对比了两种通道的优劣。并针对U型通道进行了不同高宽比对肋间传热影响的讨论和改变通道截面积以提升通道整体冷却效果的研究。研究表明：U型通道能较明显的降低燃烧室壁面的局部高温,使得整体温度分布更加均匀;适当增加高宽比,可增加肋间壁面的传热,使通道两侧温度差拉低;适当减小高宽比,可增加底壁面的传热,使局部燃烧室壁温降低;渐变通道截面积的设计方案,对解决通道出口区域燃烧室壁温过高,起到了明显的改善作用。     

氢动力冲压发动机冷却分析

在氢动力航空器上以低温燃料氢为冷却剂,对冲压发动机进行多级冷却,通过与以往的方案对比,确定了多级冷却加涡轮做功的方案,这种方案的优势在于不仅对发动机热部件提供了冷却,而且输出了功率。在此基础上进行数学建模,通过理论分析,推导出燃料热沉降率、燃料节省比以及输出功率三个参数与涡轮级数和总压比的关系。通过给定的状态,分析了各个参数的变化范围,由此确定出总压比和涡轮级数最优的参数选取,作为对新型氢燃料航空器冲压发动机的冷却系统设计的参考,以节省不必要的时间和技术浪费。     

某直升机主减速器滑油冷却系统设计

对直升机主减速器滑油冷却系统的滑油流量和热耦合设计方法进行了研究,对散热器散热特性、减速器对滑油加热规律、系统热耦合过程进行了分析,利用某直升机主减速器的实验数据,提出了针对该直升机主减速器滑油冷却系统设计的改进方法.利用改进方法进行的该直升机减速器滑油冷却系统的设计结果与理论分析相吻合.     

直升机减速器滑油冷却系统的改进设计方法

对滑油冷却系统传统设计方法进行了研究.基于对换热器散热特性、减速器对滑油加热规律、系统热耦合过程的分析,提出了针对直升机减速器滑油冷却系统的改进设计方法,使得系统热耦合时滑油温度的计算和换热器的设计更为简捷,并考虑了变工况对系统热性能的影响,提高了系统设计的可靠性和效率.以某直升机减速器系统为例,编制了改进设计方法的VC++程序,进行了该减速器滑油系统的冷却设计,其设计结果与理论分析相吻合.      

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。     

气膜出流条件下回转通道换热特性实验研究

为了研究气膜出流对回转通道的影响,将回转通道的一个壁面在出口通道上开气膜出流孔,其中回转通道为带有90°直肋的变截面通道。并且将通道分成若干特征单元进行结果分析。结果表明:气膜出流加强了带气膜出流孔壁面的换热,减弱了相对的无气膜出流孔壁面的换热。而且对于整个单元而言,存在最佳的出流流量比使单元的整体换热效果最好。