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.      

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。     

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。     

复杂变截面S形喷管气动设计与红外辐射特性研究

基于曲率控制设计方法,以某涡喷发动机排气喷管为原型进行了S形喷管的设计;利用CFD软件对不同中心线形式,以及不同喷口形式的S形喷管几何参数对气动力影响进行了数值分析和优化选型。同时,还利用自主开发的软件对喷管在后半球空间内的红外辐射强度进行了数值模拟,研究了喷管出口形状对于喷管红外辐射强度的影响规律。结果表明:按红外抑制效果排列,较好的喷口形状依次是梯形、矩形、椭圆、圆形喷口,梯形喷口S形喷管可使红外辐射峰值缩减60%左右。     

轴对称收扩喷管温度场数值仿真

为了提高轴对称喷管壁温仿真精度及获得影响壁温的主要因素,通过加力燃烧室和轴对称收扩喷管联合仿真,并将 CFD数值模拟结果和试验状态喷管壁面温度进行对比分析,研究了边界条件对喷管壁温的影响。基于加力喷管联合仿真提取喷 管入口参数的方法研究了收敛段隔热屏结构形式、收敛段冷却通道高度和冷却气流量对轴对称收扩喷管壁面温度的影响。结果 表明：采用加力和喷管联合仿真计算时喷管调节片链温度与试验结果规律一致,差值较小约50 ℃;随隔热屏加长调节片温度降 低,密封片温度升高;后端半圆形缺口的隔热屏使得扩张段温度呈V型分布,调节片温度升高,密封片温度降低;全环隔热屏对调 节片和密封片均有较好的冷却效果;随冷却通道高度减小2 mm,调节片温度升高50 ℃,密封片温度降低;随冷却气流量增加1 kg/s 喷管最高壁温降低200 ℃。     

球型收敛调节片喷管红外特性数值研究

通过数值模拟的方法,研究了喉部宽高比、下俯和偏航矢量作动角等3个结构参数对球型收敛调节片喷管(SCFN)后半球红外辐射空间分布的影响规律。结果表明：①喉部宽高比的增大使得铅垂对称面内(zOx)的红外辐射得到很好的抑制,当二元喷管喉部宽高比达到3.5时,尾向0°方向的红外辐射强度相对于基准圆形喷口降低了17.6%,水平对称面(yOz)内部分探测角度则出现了红外辐射增强的现象;②喷管调节片下俯作动角在zOx对称面310°~350°范围以及偏航作动角在yOz对称面330°~350°范围,红外辐射强度呈现增强趋势,而在无矢量作动的对称面内,红外辐射强度则得到有效抑制。     

单边膨胀矢量喷管气动和红外特性研究

在实验数据验证的基础上,通过计算流体力学/红外辐射(CFD/IR)综合的方法,对不同落压比、不同几何矢量角下的单边膨胀喷管(SERN)进行分析。研究结果表明:喷管无几何矢量动作下,低落压比下的单膨胀边上过度膨胀是造成喷管推力性能急剧下降的原因;喷管在负矢量角下,过度膨胀加剧,推力性能降低;随着喷管几何矢量角绝对值的增加,矢量推力增加,但推力系数减小,喷管几何矢量角在±25°、喷管落压比在3~6的研究范围内,喷管推力系数最低为0.88左右,最高达0.98;喷管几何矢量角为5°时,喷流红外辐射强度最大,喷管矢量角偏离5°的程度越大,尾焰红外辐射强度越低,但是空间分布规律不变。随着喷管几何矢量角的改变,喷管整体红外辐射强度的空间分布规律发生改变,几何矢量角为负时,辐射强度值大的探测角度向下方移动,几何矢量角为正时,喷管整体红外辐射较强的位置分布在上方,由单膨胀边高温壁面以及喷管内腔的可视面积决定。     

大宽高比弯曲混合喷管排气红外和射流噪声抑制

针对大宽高比弯曲混合喷管排气红外和射流噪声抑制的需求，在狭长矩形喷口的基础上对混合喷管喷口结构进行重新设计，包括不同尺寸参数的波瓣喷口和不同侵入程度的冠状锯齿喷口。针对上述喷管，采用数值模拟的方法，获得大宽高比弯曲混合喷管的射流流场，并通过正反射线追踪法和Fluent软件FW-H声学模块分别计算了混合喷管的排气红外辐射强度和射流噪声总声压级。对研究结果进行分析，揭示了狭长矩形喷口、波瓣喷口和冠状锯齿喷口对混合喷管的引射性能、压力损失以及排气红外和噪声特性的影响机制，阐释了喷口激励的流向涡在射流与环境气流掺混过程中的强化主导作用及其抑制排气红外辐射和噪声的兼容性。     

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。     

二元喷管流体矢量控制方案数值研究

采用基于雷诺平均的三维N-S方程和RNGk-ε湍流模型对两种流体注入方式下的某型二元收敛-扩散喷管全流场进行了数值模拟.计算结果表明:在激波诱导和喉道倾斜矢量控制方案下, 扩散段射流位置对喷管矢量效率的影响趋势是一致的, 射流位置越靠近喷口, 喷管获得的矢量角越大.相同射流流量在同一位置注入时, 由于喉道倾斜方案下的喷管主流可以实现亚声速偏转, 所以其总压损失较激波诱导方案要小.      

TBCC燃烧室/喷管一体化壁面温度计算

基于Navier Stokes(N-S)方程组对包括隔热屏、隔热屏内外流、大气外流在内的涡轮基组合动力(TBCC)发动机燃烧室/喷管进行了一体化的气/热耦合数值模拟,考虑了燃气组分输运、辐射换热等影响,研究了其在某典型飞行状态下TBCC冲压发动机燃烧室/喷管筒体及隔热屏内外壁壁面温度、辐射换热热流及对流换热热流分布.结果表明:燃烧室/喷管筒体与对称面上下交线的壁面温度在轴向距离为0.5~2.6m内变化较小,在轴向距离为2.6~3.1m内急剧增加,在轴向距离为3.1~3.5m内急剧下降.之后,上交线筒体壁面温度沿流向减小,下交线筒体壁面温度先升高后降低.筒体壁面温度最高点在喷管下调节板收缩段,为1577K.隔热屏内壁面辐射热流在370~500kW/m2变化,上下交线处的辐射热流较外壁面的辐射热流约高300kW/m2,辐射热流沿流向先减小后增加.隔热屏外壁面辐射热流在50~200kW/m2范围内分布.      

旋转固体火箭发动机喷管热结构分析

以某固体火箭发动机喷管为例,研究其旋转情况下的流动、传热及热结构响应性能。利用雷诺应力湍流模型,结合增强型壁面函数,求解N-S方程。以喷管内壁面温度分布为边界条件,求解二维轴对称瞬态热传导方程。将瞬态温度场按时间步长加载,进行瞬态静力学分析,得到不同转速下的流场、温度场及应力场。结果表明,喷管在旋转情况下,喷管内壁面尤其是喉部及扩张段温度分布在转速为100 r/min及600 r/min左右时变化剧烈;旋转内流场与喷管结构的耦合作用加剧了喷管的传热,尤其是喉衬的烧蚀,特征点温度值随转速增大而升高;最大热应力位于喷管最外层尾端,整体热应力在转速低于100 r/min时得到释放,随着转速的不断增大,喷管整体最大热应力及扩张段特征点应力随之增大,而喉衬特征点由于旋转导致了温度梯度降低,其应力值随之减小。     

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%.      

带隔热屏加力燃烧室热态流场计算

在任意曲线坐标系下对带有横向波纹隔热屏、外冷却通道和尾喷口的涡喷加力燃烧室的三维热态流场进行数值模拟.利用椭圆型微分方程和区域法生成三维贴体网格, k-ε模型预估紊流特性, EBU-Arre-henius紊流燃烧模型估算化学反应速率, 六通量模型预估辐射通量以考虑其对壁面和气流温度的影响.在非交错网格系统下应用混合差分格式离散控制方程, SIMPLE算法求解离散方程, 数值分析两种进口气流参数分布对加力室热态流场和壁温分布的影响.所得计算值与试验数据基本相符, 表明计算方法合理.      

磁控等离子体对尾喷管壁传热特性的影响

根据磁场作用下等离子体的湍流和传热能力将受到抑制的现象, 提出利用磁场控制低温等离子体隔离高温燃气与喷管壁的方法, 以减少高温燃气对壁面的传热, 从而达到降低壁面温度的目的.分别建立诱导磁场方程求解洛伦兹力和磁场作用下的k-ε湍流模型求解湍流粘度, 数值模拟了不同强度磁场作用下的磁控等离子体流动和传热特性.结果表明, 磁场能够有效地抑制湍流强度, 降低传热能力, 从而有效地降低壁面温度;并且磁场越强, 效果越明显.      

长尾喷管故障诊断中的两相流动计算

为了给长尾喷管故障诊断提供理论依据并提供改进措施,利用颗粒轨道模型和有限体积的Jameson格式计算了长尾喷管两相流流场,得到了流场中温度和马赫数的分布和不同燃烧室总压下不同尺寸的粒子对喷管壁面的撞击情况,结果表明大尺寸粒子对直管段壁面的撞击位置存在一个集中点,这是造成喷管烧穿的重要原因。得出了总压越高粒子撞击壁面的次数越多、尺寸越大粒子撞击壁面的次数越多的结论,给出了提高长尾喷管热防护结构可靠性的一些措施。      

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。     

磁控等离子体对收敛喷管性能的影响

采用诱导磁场方程,Mixture混合两相流和磁场修正的湍流两方程模型,研究施加不同强度磁场时,收敛喷管内等离子体的流动和传热特性以及等离子体对尾喷流的包裹情况.结果表明,随着气流在收敛喷管内加速,等离子体被掺混的程度增加.增强磁场可提高近壁面处等离子体体积分数,抑制其湍流度,降低高温气体向喷管壁面的传热.当B_y=1.3T时,磁控等离子体可降低54.4%的壁面温升,增加0.74%的喷管推力系数,在出口4倍当量直径处对尾气仍有一定的包裹.