换热预冷发动机预冷特性和发动机性能数值研究

为深入了解换热预冷发动机换热器预冷效果和发动机性能，首先设计了叉排管束式细小通道换热预冷器，并采用非定常数值模拟方法对换热效果进行了仿真，然后结合换热预冷发动机性能计算程序对预冷发动机性能进行了研究。结果表明，飞行马赫数为2.5~4.0且氢气空气质量流比为0.03~0.09条件下，换热预冷器能将来流空气预冷90.6~471.2 K，低温氢气经吸热后温度升幅为266.1~455.3 K，换热效果良好。来流空气经预冷后涡轮发动机的飞行包线最高被拓展至马赫数4.0，达到了与超燃冲压发动机的衔接速域。相比于传统涡轮发动机，氢气空气质量流比为0.03时，本文换热预冷发动机加力状态推力能恢复至设计点推力水平；当氢气空气质量流比增加至0.09时，加力状态推力最高达到设计点推力的两倍左右。马赫数2.6以下换热预冷措施能小幅改善发动机比冲和耗油率（仅计算用于燃烧的氢气量）性能，而飞行速度大于马赫数2.6后换热预冷措施也难以抑制比冲和耗油率迅速恶化的趋势。     

叉流管－管型换热器二维温度场的数值分析

建立并导出叉流管－管型换热器传热过程的二维数学模型及相应的差分格式，对比实验数据和性能计算结果，表明数值方法是有效可行的。据此编制的计算机程序已成功地用于组合发动机空气预冷换热器工作过程的预测。     

叉流管－管型换热器二维温度场的数值分析

建立并导出叉流管－管型换热器传热过程的二维数学模型及相应的差分格式。对比实验数据和性能计算结果，表明数值方法是有效可行的，据此编制的计算机程序已成功地用于组合发动机空气预冷换热器工作过程的预测。     

预冷对发动机进气道流动特性影响的数值模拟研究

为了研究预冷对协同吸气式火箭发动机(Synergetic Air-Breathing Rocket Engine,SABRE)进气道流场性能的影响,以各工况临界状态下无预冷的SABRE发动机进气道为对象,结合多孔介质耦合源项法开展了预冷效应对进气道流动特性影响的数值仿真研究。对比了预冷前后进气道流场及气动性能的变化。研究表明,多孔介质耦合源项法预冷可以较好地模拟预冷器的冷却效应及压降效应,预冷后结尾激波较预冷前向前移动了一段距离,各工况涡轮通道出口总温降低了48%～77%,其中Ma2～4时总温降低到了210K左右;来流空气经预冷后涡轮通道出口马赫数降低,流量系数也随之降低;进气道总压恢复系数呈减小趋势,低速工况总压恢复系数较好,预冷前后两通道总压恢复系数变化不大,涡轮通道流量系数较预冷前降低了约15%。     

基于三维分布参数模型的紧凑式换热器优化

基于翅片通道划分网格并建立微元控制方程,实现了紧凑式换热器的三维分布参数模型.在分布参数模型的基础上,结合熵产最小化原理,应用遗传算法对换热器的外形尺寸及翅片类型、结构参数进行了优化设计.分布参数模型考虑了流体物性参数在换热器内各点的变化,能够应用于湿工况和相变情况下的换热器性能研究.而且基于翅片通道的网格划分方法具有明确的物理意义,避免了单纯数值方法的复杂性,大大提高了计算速度,解决了基于分布参数进行换热器优化的难题,该优化方法可以推广应用于其它类型的换热器或热沉中.      

预冷发动机进气道节流特性数值研究

为了研究预冷发动机进气道预冷前后的节流特性,以二维轴对称进气道为对象,使用多孔介质耦合源项法进行数值仿真研究,在不同涡轮通道流量系数的工况下对比了预冷效果和进气道预冷前后的气动性能。研究表明:随着涡轮通道流量系数增加,亚声速扩压段锥面压力降低,虚拟预冷区下游低速区面积缩小,而两通道出口总压恢复系数均呈下降趋势,同时涡轮通道流量系数较高的工况冷却效果更好;冲压通道出口总温受预冷区影响而下降,高速工况下降幅度较大,但下降幅度不受涡轮通道出口流量系数影响;相同涡轮通道流量系数的高速工况,经过预冷后涡轮通道流通能力增强。      

甲烷预冷膨胀循环空气涡轮火箭发动机性能分析

为研究以甲烷燃料为冷却剂的膨胀循环空气涡轮火箭发动机可行性及性能,采用部件法建立了甲烷预冷膨胀循环空气涡轮火箭（Air-Turborocket, ATR）发动机性能评估模型,研究了压气机压比和冷却剂当量比等参数在不同飞行状态下对发动机性能的影响,分析了不同来流工况下发动机正常工作对各部件的性能需求。计算结果表明,通过大于1.0倍当量比甲烷预冷作用,甲烷预冷膨胀循环ATR发动机能在压气机压比低于2.0条件下实现Ma0~4.0速域连续工作,但由于甲烷焓值较低,限制了压气机压比的提升,因此甲烷较低的单位功是限制发动机性能改进的主要因素;甲烷预冷膨胀循环ATR发动机的涡轮功率只有在较高落压比和甲烷压力条件下才能平衡压气机功率需求;冷却循环系统与空气的热力循环匹配问题是各部件协同工作的关键,通过适当选取发动机各部件控制参数,能在Ma0~4.0速域内获得1250~2114s的比冲、70~110s的单位推力和50%的总效率。     

SABRE预冷器结构参数对其性能影响的数值分析

预冷器作为SABRE系统中的核心部件之一,其性能决定了SABRE空气预冷效果。本文利用数值分析方法研究了预冷器外形几何参数和传热管排管紧凑度对其流动和换热特性的影响,结果表明,在工作热工参数范围内,两者对预冷器换热特性影响较小,换热功率相对变化小于7.2%,但对壳侧空气流动阻力影响很大,阻力压降最大可增加2倍以上;减小预冷器轴向高度、增加径向尺寸均有利于提高预冷器的综合性能;通过适当调整传热管束的排管紧凑程度,使预冷器的壳侧空气流动阻力压降满足设计要求。     

氧换热器在两相流条件下的压力脉动机理分析

氢氧液体火箭发动机氧换热器在研制过程中出现了压力脉动现象，影响了换热器的正常工作。以该型换热器为研究对象，将换热器分为燃气侧、汇总管、圆管等结构，进行了CFD仿真计算，与试验结果对比，修正了传热相关参数，建立了换热器理论计算模型用于参数计算；利用非线性方法分析试验数据，确定了该换热器为混沌系统；利用两相流分析与电路类比两种方法分别针对换热器进行了建模与计算，均捕捉到了相变下换热器内的压力脉动。结果表明：通过CFD仿真及试验修正后的参数用于计算换热器的稳态参数，具有较好的一致性；换热器出现压力脉动时，具有一定非线性特征，且压力脉动越大，非线性程度越高；该换热器出现压力脉动的原因为氧工况接近两相区，相变使得介质密度发生剧变。根据分析结果提出了提高换热器设计压力的改进措施，通过试验得到了有效验证。     

深冷组合循环发动机吸气模态循环分析与设计可行域研究

为了研究类似SABRE3结构的深冷组合循环发动机,建立了基于部件法的发动机设计点热力学计算模型,提出了发动机氦循环新的循环效率和循环特征参数的定义。考虑发动机参数的物理限制条件及不同工质循环之间的相互影响,求解得到了空气路、氦气路重要参数的设计可行域。在可行域内开展了空气路和氦气路的循环分析,获到了冷却当量比、性能参数等主要参数的分布结果。结果表明:此发动机空气热功转换比ηt2为0.02～0.746。氦循环设计可行域受ηt2及换热器热负荷限制;循环起始温度和热负荷限制确定的情况下,ηt2越低氦循环可行域越窄。降低发动机冷却当量比的关键是:提高换热器1的氦出口温度以降低氦流量;当换热器1和换热器2的氦出口温度同时取得最大值时,冷却当量比取得最小值。换热器1和2的氦出口温度分别取1200K和1300K时,空气路可行域内冷却当量比为0.917～2.64。     

Diagnostics of efficiency for a cooling system of compact heat exchangers with coplanar channels

The dependences of thermal and hydraulic characteristics of compact heat exchangers with coplanar channels on their geometrical parameters and cooling modes are presented. The given results of tests allow us to estimate the efficiency of the cooling system of heat exchangers with various parameters of ribbing.     

旋涡内流计算

本文采用涡量-向量势表示的不可压缩三维流动的基本方程及其边界条件。针对小曲率弯管流,忽略主流方向的扩散项而使基本方程抛物化并利用流量守恒条件确定轴向压力分布。为避免横向速度向量散度不为零所带来的麻烦,本文提出两种计算方案。计算结果证明:用于求解三维抛物化方程组的这两种方案都是方便可行的。     

Micromanufacturing technologies of compact heat exchangers for hypersonic precooled airbreathing propulsion: A review

The Hypersonic Precooled Combined Cycle Engine (HPCCE), which introduces precooler into traditional hypersonic engine, is regarded as the most promising propulsion system for realizing a single-stage-to-orbit vehicle. The unique demands lead to the application of the compact heat exchangers, which can realize high thrust-to-weight ratio, sufficient specific impulse and high compression ratio. However, it is challenging to accurately manufacture the compact heat exchanger due to its extremely high heat dissipation capacity, remarkable compactness, superior adaptability and harsh operating condition. This review summarizes the precooling schemes of combined cycle propulsions and describes the demands and key issues in the fabrication of a compact heat exchanger for HPCCE. The investigation focuses on the application of various micromanufacturing methods of heat exchangers constructed from tubes of less than 1 mm in diameter and microchannels of less than 200 micrometers. Various micromanufacturing processes, which include microforming, micromachining, stereolithography, chemical etching, 3D printing, joining and other advanced microfabricating processes, were reviewed. In addition, the technologies are compared in terms of dimensional tolerance, material compatibility, and process applicability. Furthermore, the boundaries of the micromanufacturing constraints are specified as references for the design of compact heat exchangers. Ultimately, the technological difficulties and development trends are discussed for the fabrication of compact heat exchangers for HPCCE.     

不可逆中冷回热布雷顿循环功率密度优化

用有限时间热力学的方法，在给定总热导率的情况下，以功率密度为目标，通过数值计算，对恒温热源条件下不可逆中冷回热布雷顿循环高、低温侧换热器的热导率分配和中间压比进行了优化，分析了不可逆性对循环功率密度特性的影响。     

串列双U型管束换热器压降与回热效率模型实验

为了研究串列双U型管束换热器的流动和传热特性,开展了模型实验,得到了串列双U型管束换热器布置方式对喷管通道流动压降和换热器回热效率的影响。结果表明:喷管通道流动压降随着换热器安装角的增大而增加,邻近喷管收敛状出口位置的换热器安装角对流动压降的影响最为显著,进口附近的换热器影响次之;相对通道内置单个换热器的情形,串列换热器中前置换热器安装角的变化对流动压降的影响有所减弱;较小的前置换热器安装角度导致其回热效率过低,从而导致平均回热效率难以改善;在本文研究的几种布置方式下,安装角为30°-17°-13°的串列换热器布置方式的流动和传热综合性能相对较优。     

不可逆闭式中冷回热布雷顿循环效率优化

应用有限时间热力学的方法优化了恒温热源条件下不可逆闭式中冷回热布雷顿循环的中间压比分配和高温侧换热器、低温侧换热器、中冷器及回热器热导率分配，得到了循环最大热效率；通过进一步优化总压比，又得到了双重最大效率。最后通过数值计算，研究了一些重要参数对循环优化结果的影响。     

超声速湍流导管烧蚀流场稳定性研究

对超声速湍流导管烧蚀流场进行理论计算,选取了初始面积比为2.0和3.0的超声速导管,得到了在绝热指数为1.1、1.2和1.3三个典型状态下总焓、马赫数、导管内压力、静焓及恢复焓随导管截面积加大的计算结果。研究表明:试验过程中总焓不变,但由于试验材料烧蚀导致导管的截面积加大将引起其余流场参数的变化,马赫数随导管的截面积加大而加大,其余参数随导管的截面积加大而降低,在导管截面积增大20%时,马赫数增幅在9%以内,导管内压力降幅在20%以上,静焓降幅在8%以内,恢复焓降幅在1%以内,绝热指数的上升将引起导管参数增幅或降幅加大,初始面积比加大,将引起导管参数增幅或降幅减小。