稀薄流航天器鼻锥迎风凹腔气动力和气动热性能研究

本文采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,对高超声速稀薄流中航天器鼻锥迎风凹腔气动力与气动热性能进行了数值研究。得到了鼻锥外壁面、凹腔侧壁面以及凹腔底面的热流密度分布,分析了不同凹腔深宽比对鼻锥冷却效率以及凹腔腔体内气体参数的影响;以深宽比为1的凹腔为基准,研究了凹腔唇口钝化半径对航天器气动热与气动力的影响。数值结果表明,高超声速稀薄流中迎风凹腔能够降低鼻锥外壁面的热流密度;当凹腔深宽比达到1之后,凹腔侧壁面热流变化趋于一致,热流密度最低点的轴向位置不随深宽比改变,且凹腔底部热流很小;凹腔近底部气体均由稀薄流转化为连续流,腔内气体压力不断振荡;唇口钝化没有明显优势,虽然可以降低鼻锥峰值热流,但是会带来严重的气动力性能下降。     

凹腔尺寸对迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统性能的影响

针对高超声速飞行器热防护系统(TPS)的设计,对迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统展开研究.在数值方法实验验证的基础上,通过求解Navier-Stokes方程得到了带组合热防护系统的鼻锥的流场结构以及壁面热流分布.验证了组合热防护系统的有效性.在逆向喷流条件不变的情况下,进一步研究了凹腔的尺寸变化对其防热能力的影响.研究发现:凹腔的直径越小,深度越深,气动加热值越低.自由来流与逆向喷流形成的回流区在减少鼻锥的气动加热上起到关键的作用.相对于凹腔深度的变化,鼻锥壁面的气动加热更敏感于凹腔直径的变化.      

狭缝喷注-发散冷却的综合冷却效果数值研究

为了研究发散孔阵列上游设置狭缝喷注的狭缝喷注-发散冷却组合方式的综合冷却效果,采用数值模拟方法对其冷却效果进行了研究,并在相同的冷却空气流量下与纯发散冷却方式进行了对比分析。结果表明:狭缝-发散孔组合冷却方式显著改善了发散孔阵列前区的冷却效果,平均冷却效果可以提升12%~16%;该组合冷却方式因狭缝喷注的分流而使得发散孔吹风比相对纯发散冷却有所减小,导致在小吹风比下发散孔下游区域的综合冷却效果低于单纯发散冷却结构,而在吹风比较大时,组合冷却方式与单纯发散冷却结构在发散孔阵列后区的综合冷却效果基本一致;随着狭缝高度的增加,发散孔阵列前区的综合冷却效果有所增强,而在发散孔阵列后区,综合冷却效果却略有下降。     

涡轮叶片转弯流道换热分析与优化设计

对涡轮叶片冷却通道换热问题进行了研究,提出了新的结构设计方案,改善了叶片性能。采用流-热耦合分析方法对典型三腔回流式冷却叶片气动及传热性能进行了分析,得到叶片压力与温度分析结果,发现叶片最高温度出现在叶尖尾缘位置。对此提出了冷却通道两种新的结构方案,在不降低叶片气动性能的前提下,分别可降低叶片的最高温度和平均温度。通过分析发现,将两种结构特征进行组合,可同时较大幅度地降低叶片最高温度和平均温度,并对新型组合冷却通道进行了优化设计,与原结构相比叶片综合性能得到了较大提高。     

环形级间驻涡燃烧室壁温分布试验

通过对环形驻涡燃烧室进行壁温分布试验研究,可以考察燃烧室的冷却和进气结构是否存在问题,为后续的燃烧室强度计算提供依据.试验结果表明,各工况条件下燃烧室的壁温均未超过材料的上限值,燃烧室可以长期正常工作;燃烧室的最高壁温出现在凹腔前壁面下部或凹腔上壁面中部;燃烧室壁温受主流气量、凹腔进气量、供油量的影响较大,受蒸发管蒸发用气温度的影响较小.      

气膜-发散组合冷却结构换热特性的实验研究

为了研究气膜-发散组合冷却结构的冷却特征,保证相同的开孔率,设计了三种不同发散孔排布形式的组合冷却结构,采用实验的方法对气动参数和几何参数对绝热冷却效率和对流换热系数的影响规律开展了研究。结果表明:绝热冷却效率和对流换热系数沿主流方向先逐渐降低,达到最低点后沿流动方向二者基本保持不变;在研究参数范围内,主流雷诺数和吹风比对绝热冷却效率的影响不大,但对组合冷却结构的对流换热系数影响较大,随着主流雷诺数和吹风比的增加,对流换热系数均呈现逐渐增大的趋势;针对三种发散孔排布形式的绝热冷却效率和对流换热系数,流向间距大的气膜发散冷却结构最高,流向间距居中的气膜发散冷却结构次之,流向间距最小的气膜发散冷却结构最低。     

驻涡燃烧室发散冷却方案试验

设计了两种适用于驻涡燃烧室的发散冷却结构,发散孔的倾角分别为30?和150?,并通过试验研究了两种冷却结构在不同位置处,不同温比及吹风比条件下的冷却效果.试验结果表明,两种冷却结构均具有较高的绝热效率;两种结构的绝热效率随主流温度或吹风比的变化规律相同;凹腔前壁面的绝热效率最高,后壁面的绝热效率最低;在相同试验条件下,倾角150?冷却结构的绝热效率高于倾角30?冷却结构的绝热效率;随着冷却气量的减小,两者之间的差距逐渐增大.最后,通过数值计算方法对试验结果进行了分析.      

驻涡燃烧室凹腔流场结构实验

驻涡燃烧室采用凹腔结构稳定火焰,研究凹腔内不同燃料与空气喷射情况下的流场结构非常重要。采用粒子成像测速仪(PIV)测量了驻涡燃烧室凹腔在不同主流速度下的流场,并对比分析了凹腔进气结构分别为不开冷却缝及油气渗混孔、开冷却缝不开油气渗混孔、开冷却缝和后体油气渗混孔、开冷却缝和前体油气渗混孔时的流场结构。研究结果表明,不同主流速度下所设计的不同凹腔进气结构均能在腔内形成稳定的涡,冷却缝对流场的影响较小,凹腔油气掺混孔在开孔截面上对流场及涡核中心位置的影响较大。     

发散冷却与冲击/发散冷却的冷却效率对比

为了得到最佳的冷却结构,在相同冷却气量下对发散孔单层壁与冲击/发散孔双层壁冷却结构的冷却效率进行了试验研究.试验保证相同的发散孔排布规律、热侧与冷侧进气温度、冷却气量、热气量以及热冷侧之间的空气压降,使用红外热像仪对发散孔壁的热侧壁面温度进行测量以得到冷却效率,并对两种结构的冷却效率进行对比分析.试验结果表明:在相同冷却开孔面积、相同冷热气条件下,冲击/发散孔双层壁的冷却效率要比发散孔单层壁大约高30%,这归因于冲击/发散冷却方式存在更高的换热强化能力.      

气膜孔排布对排气系统中心锥冷却和红外辐射特性的影响

运用计算流体力学/红外辐射(CFD/IR)的数值模拟方法,以涡扇发动机排气系统为原型,对中心锥表面气膜冷却方案进行了数值研究,并揭示了中心锥冷却对红外辐射特征的作用效果.研究表明:气膜冷却中心锥可有效降低中心锥表面的温度,抑制排气系统在0°~15°范围内的红外辐射.在所研究的诸多方案中,与无冷却的涡扇排气系统相比,中心锥表面温度可以降低282K,0°方向上可降低总体红外辐射约57%.      

Investigation of thermal protection system by forward-facing cavity and opposing jet combinatorial configuration

 This paper focuses on the usage of the forward-facing cavity and opposing jet combinatorial configuration as the thermal protection system (TPS) for hypersonic vehicles. A hemispherecone nose-tip with the combinatorial configuration is investigated numerically in hypersonic free stream. Some numerical results are validated by experiments. The flow field parameters, aerodynamic force and surface heat flux distribution are obtained. The influence of the opposing jet stagnation pressure on cooling efficiency of the combinatorial TPS is discussed. The detailed numerical results show that the aerodynamic heating is reduced remarkably by the combinatorial system. The recirculation region plays a pivotal role for the reduction of heat flux. The larger the stagnation pressure of opposing jet is, the more the heating reduction is. This kind of combinatorial system is suitable to be the TPS for the high-speed vehicles which need long-range and long time flight.     

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。      

发散冷却控制烧蚀过程的数值研究

用数值方法模拟了发散冷却控制结构烧蚀的瞬态过程,同时考虑了线烧蚀和体积烧蚀两种现象对多孔介质骨架高温表面的质量损失和冷却效果的影响,并讨论了高温主流携带的热流强度、冷却介质注入的初始速度和温度、及多孔材料骨架初始温度在控制烧蚀过程中的作用.      

不同材料发汗冷却结构下氢冷却性能

为了实现航空航天等领域高温大热流燃烧装置的有效冷却,研究了不同材料和工艺制成的发汗冷却结构在高温高热流密度下,氢的发汗冷却性能。模拟高压推力室的结构特点和高热流设计发汗冷却试验件,用电弧加热主流空气模拟高温燃气、以氢气为发汗冷却剂对多孔陶瓷、烧结多孔不锈钢和多孔层板材料进行了33次172 s热试验研究。试验的材料设计孔隙率为10%~40%,燃烧室压力为2.7~8.4 MPa,主流燃气温度约为3 600 K,主流空气流量为220~1 490 g/s,冷却氢气流量为9.6~57 g/s,注入率为0.005~0.029。试验结果表明:当冷却剂氢注入率为1%时,主流与多孔陶瓷材料壁面和粉末冶金多孔结构壁面之间的换热分别减少了30%和70%以上;当注入率为3%时,主流与光刻多孔层间结构壁面之间的换热也能降低60%。证明氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。最后还总结得出了常温氢气对高压大热流环境进行发汗冷却的性能关联式。      

层板推力室发汗冷却壁温特性的初步研究

对液体火箭发动机发汗冷却层板推力室的壁温特性进行了初步研究,通过建立一维固液耦合温差模型,利用有限体积法,计算得到沿推力室径向层板固体和冷却剂的温度分布,并对影响壁温特性的各种因素进行了计算分析,包括冷却剂流量、层板导热系数和冷却通道尺寸等.结果表明:冷却剂流量是控制层板结构温度的重要参数;层板应该采用一种导热系数适中的材料,过大或过小导热系数的材料都不利于推力室的整体性能;较大的冷却通道宽高比有利于层板向冷却剂导热;冷却通道内的换热效率与冷却剂流量和层板导热系数有关.      

变物性与热辐射对发汗冷却过程的影响规律研究

采用两层k-ε湍流模型对高温条件下有发汗冷却时的矩形槽道内湍流流动和换热进行了数值模拟。计算结果表明:随着冷却气体流量的增加,在发汗冷却壁面附近主流气体的温度梯度大大减小,壁面温度、局部对流换热系数都迅速下降;变物性条件下同时考虑热辐射时数值计算得到的平均St相对值St/S_t0随修正注入率F/St0的变化比已知的常物性条件下的值小;随着高温气体温度的上升,变物性和热辐射对与高温流体接触的表面温度有较大影响,热辐射对壁面温度的影响比变物性更大,而对流换热系数所受的影响不大;当主流为高温气体(如:2500K)、而壁面温度较低时(如:800K)热辐射的影响不大,发汗冷却效果仍然很明显。      

具有发散冷却功能的曲面结构边界层特性实验和数值研究

用实验测量和理论计算相结合的方法,研究了具有发散冷却功能的曲面结构边界层流动和换热特性.半球形实验件由高温合金钢粉末烧结的多孔材料制成,孔隙率和特征尺寸分别为0.37和20μm.实验件外部的热流温度及速度由热风洞的控制系统给定,内部的冷气流量由数字式质量流量控制器给定,外表面温度由NEC TH5104远红外热像系统测量.利用FLUENT软件中的二维、稳态、局部热平衡模型,对实验件进行发散冷却特性数值模拟,并通过与实验数据的比较,验证数学模型和数值方法.