某大型运载火箭动力系统试验的数值模拟

为了评估试验风险,并为试验台的热防护设计提供依据,采用CFD技术对某大型运载火箭动力系统试验进行了数值模拟,获得了发动机尾流流场,并对试验台的安全性进行了初步分析。计算中,采用氢氧单步燃烧反应模型,考虑尾流燃气与空气的燃烧,湍流模型选用了标准k-ε模型。仿真结果表明:钮腿主体结构安全,但根部应加设防辐射层;导流槽底部结构安全;试车台井口附近会有大量的空气被抽吸,井口附近设备应重点加固。     

航天发射场导流槽综合性能评价指标体系研究

导流槽是航天发射场的重要核心设施,作用是排导火箭发动机产生的高温高压燃气射流。基于计算流体动力学原理,利用理论分析、试验研究和数值仿真方法,开展发动机燃气射流在导流槽内部流动特性以及射流噪声传播和辐射特性等火箭发射环境效应问题研究,对导流槽设计中关心的冲击、烧蚀、通畅性以及喷水冷却系统的效率和噪声防护等问题进行评价,初步建立导流槽优化设计综合性能评价指标,为导流槽综合性能设计提供重要的参考依据。     

导流槽构型对火箭起飞时流场和声场的影响

为了研究四喷管运载火箭起飞时火箭周围噪声环境问题,建立燃气/空气双组分的可压缩流动模型,采用2阶Roe格式、SAS(scale-adaptive simulation)湍流模型和声学类比积分法Ffowcs-Williams Hawkings(FW-H)求解三维Navier-Stokes方程。以单机火箭的噪声问题为对象开展数值模拟,并将噪声数值计算结果与试验数据对比,误差在3dB以内(相对误差小于1.6%),验证预测噪声方法的有效性,进而研究四喷管运载火箭起飞阶段采用不同导流槽构型对箭体舱段区域噪声环境的影响,结果表明:在相同噪声接收点处,单侧导流槽对应的总声压级比双侧导流槽大,两者的总声压级(OASPL)之差最大为10.7dB。另外,当采用单侧导流槽时,沿周向接收点的噪声总声压相对单侧导流槽中心截面呈对称分布,而且沿导流出口方向逐渐增大。所建立的噪声数值方法为大推力捆绑运载火箭舱段的噪声环境预测及其控制提供一定参考。     

考虑煤油裂解效应的超声速燃烧室再生冷却过程分析

为了分析宽马赫数飞行条件下超声速燃烧室再生冷却性能以及考虑燃料高温裂解效应对冷却的影响,发展了具有一定通用性的超声速燃烧室再生冷却系统气-固-液传热分析模型,对燃烧室内流、冷却剂流动以及冷却结构进行了气-固-液传热耦合计算.燃烧室内流计算模型无需实验测量的静压数据以及总温/释热分布假设,通过直接求解质量、动量、能量守恒微分方程并结合燃料混合及燃烧模型来获得内流参数分布.同时对燃烧室壁面传热进行了计算,将冷却结构内冷却剂的流动、换热与燃烧室内流耦合,并且着重考虑了煤油作为冷却剂,其物态随温度、压力变化以及高温时出现的热/催化裂解吸热化学反应.基于实验数据发展了煤油热/催化裂解总包反应模型,对煤油热裂解和催化裂解两种过程的化学吸热性能进行了对比,研究了热/催化裂解效应对再生冷却的影响.     

带凹腔的超声速燃烧室燃烧流场数值模拟

对带凹腔结构的燃烧室二维甲烷燃烧流场进行了数值模拟.采用迎风3阶精度MUSCL格式求解二维含组分守恒N-S方程,湍流模型采用剪切修正的RNG k-e湍流模型,分别分析了凹腔不同的长深比和导流槽结构对燃料燃烧的影响;对喷甲烷燃烧工况进行了计算研究.结果表明:凹腔可以提高燃烧效率,却使总压恢复系数降低;凹腔的长深比越高,燃烧效率越高,总压恢复系数越低;在总压恢复系数较高的情况下,采用导流槽可进一步提高燃烧效率.     

高温气体喷水冷却过程数值仿真研究

环控试验会排出大量的高温气体,高温气体可通过喷水冷却到合适的温度后排出室外,高温气体喷水冷却过程不仅包含了气、液两相耦合流动,而且存在水的蒸发相变.以国内某环控试验室高温气体喷水冷却系统为例,提出了一种基于欧拉-拉格朗日多相流模型的高温气体喷水冷却过程数值仿真方法,并在STAR-CCM+上进行了数值仿真研究,仿真结果表明方法对于高温气体喷水冷却过程数值仿真具有一定的参考意义.     

液体火箭发动机再生冷却槽寿命预估

基于有限元热结构耦合计算结果分析了液体火箭发动机再生冷却槽的失效形式,并分别采用Porowski模型及其蠕变修正模型对冷却槽进行寿命预估.结果表明冷却槽寿命主要取决于塑性拉伸不稳定失效;蠕变对寿命有一定影响,是寿命预估不可或缺的一部分;减小外壳与内壁的温差幅值、增大每个冷却槽的肋宽比或增加冷却槽数目可以延长寿命.该寿命预估方法可用于指导可重复使用液体火箭发动机再生冷却槽设计.      

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.      

飞机座舱盖热疲劳试验台设计研究

建立了座舱盖热疲劳试验台试验段流动及换热计算模型,并通过与试验结果的对比及分析,验证了模型的正确性。基于大量数值计算结果及分析提出了座舱盖导流罩型面新的设计思想和设计方案,采用根据该方案修改的导流罩外形,解决了试验中座舱盖前后缘温差超标的问题。     

高超声速飞行器主动冷却系统优化设计

以碳氢燃料为冷却剂的主动冷却系统是进行高超声速飞行器热防护最有效的方法之一。在满足工作要求的情况下,应尽量减小主动冷却系统的质量,实现飞行器的轻质化目标。利用MATLAB@2007软件对高超声速飞行器燃烧室的主动冷却系统进行了优化设计,计算了冷却通道在满足各项热负荷条件下,系统的最小质量以及此时所对应的冷却通道各项尺寸。选择了Inconel X-750、Inconel 625和Hastelloy X 这3种不同的镍基合金分别当做冷却通道固壁材料,并且在主动冷却系统的近燃烧侧引入热障涂层,以分析不同材料和有无热障涂层对系统轻质化的影响,为高超声速飞行器主动冷却系统的材料选择和优化设计提供了理论依据。     

喷水射流预冷对加力燃烧室特性影响分析

为了探究采用射流预冷技术之后加力燃烧室性能，开展了不同喷嘴布置方案、喷水量和来流温度对预冷效果的影响研究。对射流预冷发动机工作过程进行了简化，建立了加力燃烧室进口前段射流预冷喷水特性计算的数学模型。同时搭建了小型试验台，通过与试验结果的比对验证了该模型的准确性，并利用该模型对射流预冷效果进行了仿真预测。结果表明：提高喷嘴数量与布置均匀性能够小幅度改善预冷效果；当来流温度不变时，射流预冷喷射腔室出口处的液态水蒸发量随着喷水量的增加而提高，但蒸发率却处于下降的趋势；当喷水量达到2%时，加力燃烧室燃烧效率对比不喷水工况会有一定的提升；喷水量达到4%以后，加力燃烧室出口温度及燃烧效率随着喷水量的提高而降低；喷水量大于8%以后，恶化了加力燃烧室（V型火焰稳定器）贫油熄火极限与燃烧效率；喷水量达到最大10%时，油气比需从原来设计工况的0.052上升到0.064才能保持稳定点火且对比不喷水时工况，加力燃烧室出口温度由1860K下降到1373K，燃烧效率由80.2%下降到69.2%。     

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。     

氦气鼓泡法获取液氢过冷度的传热传质研究

为了更好地理解氦气鼓泡获取液氢过冷度的冷却行为,优化设计冷却系统,基于集总参数法,建立了氦气鼓泡冷却系统的热力学模型,考虑了气泡界面能和压力对系统冷却效果的影响,分析了氦气注入液氢内时瞬时传热传质过程,讨论了各个影响因素。与液氢试验数据对比,热力学模型的计算值与实验值吻合良好,表明该模型可精确预测氦气鼓泡冷却液氢的热力学过程。研究了相关因素对过冷度的影响,结果表明:采用氦气鼓泡方法可将液氢过冷至三相点处;在额定工况下,氦气消耗量基本上是液氢消耗量的7倍;增加氦气鼓泡速率、降低氦气鼓泡温度、减少环境热侵、减小贮箱气枕压力,均可有效改善液氢过冷度。     

直升机附件舱温度场的数值模拟

为考查某型直升机附件舱的热控制能力,采用有限元软件分析了其在强制冷却和自然冷却情况下的温度场分布.应用非结构化网格和有限体积法进行计算区域和控制方程的离散,采用标准k-ε模型封闭湍流控制方程.针对3种冷却系统设计方案,分析了不同冷却气流进口尺寸、相对位置以及不同附件散热量对附件舱温度分布的影响,计算了自然冷却情况下附件舱密闭时的温度场.计算和试验结果均表明,所采用的冷却方案可以满足附件舱冷却的需要.      

高压涡轮导向器叶片冲击冷却数值研究

针对高压涡轮导向器叶片表面温度过高的情况,采用在叶片内安装导流片并布置射流孔的方式对高温叶片进行冲击冷却,运用带转捩的Transition k-kl-ω模型完成了气动和传热的三维耦合计算分析,研究了改善冲击冷却效果的方法和途径,实现在保持冷却气体流量不变条件下,提高冷却效果、降低材料的性能要求。计算结果表明:在一定孔径范围内,射流孔数和孔径满足(4n-1)D=h的关系式时,沿叶高方向能满足冷却要求;选择在压力面开3列、吸力面开4列射流孔,能满足叶片中弦区域冷却要求,采用劈缝排气方式可以消除尾缘高温现象;导流片与叶片间距zn/D在1.71～2.57变化时,对叶片内外表面平均温度影响不大,而随间距变小,叶片内外表面最高温度降低,最低温度则会升高;随冷却气体温度降低或流量增加,冷却效果会更好。     

孔间距对锯齿槽改善气膜冷却特性影响

为了探索锯齿槽比横向槽气膜冷却更有效的机理,数值模拟研究了不同气膜孔间距下锯齿槽和横向槽下游流场、温度场及气膜冷却效率分布。吹风比为0.5和1.5,孔间距与气膜孔直径的比分别为2、3、4。结果表明:横向槽气膜冷却效率计算结果和实验数据吻合较好。相比于横向槽,锯齿槽展向导流能力增强。随着孔间距增加,孔中心线处漩涡对减弱,孔间区域更容易形成附加漩涡对,锯齿槽比横向槽气膜冷却效率提高更明显。孔间距p/D分别为2、3、4,吹风比0.5时,锯齿槽比横向槽面平均气膜冷却效率分别提高27%、35%和42%;吹风比1.5时,锯齿槽比横向槽面平均气膜冷却效率分别提高27%、95%和151%。     

某型发动机涡轮冷却叶片的流动换热耦合计算研究

在对某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片冷却结构分析的基础上，建立了流动换热分析的气热耦合计算模型．采用通用流体力学计算软件完成了高压涡轮转子叶片复杂结构的内外流场和温度场的一体化计算，得到了涡轮叶并流动换热的数值计算结果，对其冷却结构的换热效果进行了分析，并对气热耦合计算在涡轮冷却叶片设计中的应用进行了分析和探讨。     

直通道和弯曲通道中超声速气膜冷却研究

对直通道和弯曲通道两种不同几何形状中的二维平行缝槽形式的超声速气膜冷却进行了数值模拟,分析了在有、无斜激波入射冷却层时的冷却效果.计算结果表明,斜激波的入射使壁面的冷却效率较无斜激波入射时要低.在该计算模型中,无斜激波入射时,弯曲通道壁面的冷却效果好于直通道壁面,而有斜激波入射时,弯曲通道壁面的冷却效果不如直通道壁面.      

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。     

壁面微通道冷却对旋流燃烧室性能影响实验

为了探索微通道高效换热技术在低污染燃烧室壁面冷却中的应用,实验研究了壁面微通道冷却对模型旋流燃烧室性能的影响。结果表明:微通道结构对燃烧室热壁面具有显著的冷却效果,在雷诺数小于350时,雷诺数增加对壁面冷却有明显提升作用,在雷诺数大于350后,雷诺数的增大对冷却效果提高的促进作用减小；雷诺数增大对相同进气工况下CH*化学发光信号表征的火焰时均结构几乎不产生影响,但在个别工况下会使火焰产生黄色火星,甚至间歇地产生黄色火焰,带来不完全的燃烧；雷诺数增大会增强微通道对流换热程度,加大壁面传热速率,加剧火焰和微通道换热间的相互作用,使火焰表面发生较大的热量损失,最终造成CO排放量增加,NOx排放量降低,并使整体燃烧效率下降。