基于变分法的冷却结构优化设计与分析方法

为了改善冷却结构的综合换热性能,需要对冷却结构的优化设计进行研究。以冷却结构的平均温度、温度不均匀度和冷却剂流动压力损失为目标函数,基于变分法生成优化分布的冷却通道,该通道可以根据当地的边界条件而自适应地调整。随后对冷却结构进行流固耦合传热的数值计算,得到冷却结构的温度分布、冷却剂的压力损失、冷却剂出口温度等参数,多次迭代进而得到满足目标要求的冷却结构优化设计。计算结果表明,基于变分法的冷却结构优化设计方法可以根据当地边界条件生成优化的冷却通道;对于不同的优化方案,存在各自对应的最佳通道个数和冷却通道分布使目标函数最优;对于优化方案三,优化设计的冷却通道和常规设计的冷却通道相比:冷却结构平均温度从816K下降到807K,温度不均匀度从211K降低到172K,代价是压力损失从8kPa上升到17kPa。     

基于碳纤维复合材料的低温贮箱支撑杆设计与仿真

针对碳纤维复合材料在运载火箭低温贮箱支撑杆中的应用问题,基于碳纤维复合材料单向板力学性能测试结果,对低温贮箱支撑杆的材料和铺层进行了设计,并通过静力学仿真分析对设计方案进行了验证,结果表明:在298 K和77 K温度下,T800单向板的力学性能均优于T700单向板,更适于制造低温贮箱支撑杆;以9°为主角度铺设72层T800增强纤维的低温贮箱支撑杆,其298 K和77 K温度下的拉伸强度和压缩强度可以很好地满足运载火箭低温贮箱支撑杆的设计强度要求。     

高温升燃烧室喷油杆热防护试验研究

为研究高温升燃烧室喷油杆热防护问题,建立高温升燃烧室喷油杆热防护试验系统,设计加工三个不同尺寸隔热屏,探讨了进气温度、进气速度、供油压力、喷油杆布置方式和隔热屏方案等气动和结构参数影响喷油杆壁面温度、换热特性及油道出口燃油温度的变化规律。研究表明:当进气温度为903K,进气速度为36m/s,压力为0.22MPa时,不安装隔热屏的喷油杆出口燃油温度达到的最高温度为435K,随着供油压力增大,燃油出口温度逐渐降低,但最低温度也超过375K。三种方案隔热屏均能够起到对喷油杆的热防护,能够降低喷油杆壁面温度和油道出口燃油温度,考虑热防护效果和结构重量等综合因素,方案二隔热屏效果最佳,燃油出口最高温度不超过388K。     

用于灵巧武器的新型激光雷达探测器

美莱特研究所与洛勒尔红外成像系统公司签署了1百万美元的合同,以设计和生产这种在200K温度下工作的相干光探测器。过去用于激光雷达的探测器要求低温冷却器,但它们过重和过于敏感的特性不适于灵巧武器。这种新的探测器采用热电式冷却器,它所采用的电子芯片比原机械式冷却器小近200     

基于G-M制冷机的大尺寸冷屏设计方法

介绍了基于Gifford-Mcmahon (G-M)制冷机的大尺寸冷屏的设计方法。该低温冷屏配合真空环境模拟室共同使用，为遥感卫星的星载遥感器等部件的红外定标试验提供20K的低温冷背景。该冷屏采用5台G-M制冷机进行制冷，外形尺寸达到1m×1m，是目前国内同类型冷屏中尺寸最大的。详细介绍了冷屏在容器内的安装布置、冷缩时的补偿等结构设计方法、冷屏的表面温度分布以及降温时间等计算分析。成功解决了大尺寸冷屏在低温环境下的冷缩补偿难题，试验结果表明:冷屏主要测点温度为15K，温度均匀性误差为±1K，达到并超过设计要求。      

温度畸变发生器研制

介绍了航空发动机温度畸变试验装置的工作原理、设计技术要求、主要设备以及用涡喷和涡扇发动机调试和对比试验的结果。调试结果证明：该装置具有高的工作可靠性、可控性和稳定性,高温区平均温升值可达10－400K,绝对温升率可达300－5500K/s,可用于空气流量为30－150kg/s各类燃气涡轮发动机的温度畸变试验。     

磁流体发电高温燃气的产生与控制研究

为探索磁流体发电技术在高超声速飞行器上的应用,研制了基于燃气发生器的高温燃气实验系统。介绍了燃烧工质的选取、工况的选择以及实验系统的调试机理、运行情况。结果表明,采用航空煤油做燃料,气氧做氧化剂,混合比为1.2~12的条件下满足温度大于2600K的要求;煤油流量作为基准值,通过调节氧气路孔板流量计前压力能很好地调节燃气发生器的温度;通过调试确定了系统运行的时序,并进行了燃烧温度为3278.5K的点火实验。电导率的测试实验表明,在燃气温度2750K的情况下,燃气电导率的平均值达到10S/m,峰值15S/m,满足磁流体发电的技术要求。     

燃气涡轮发动机的发展与制造技术

对下一代军用发动机的具体技术指标要求目前还不明确,但其基本技术目标是:推重比＞12～15;涡轮前燃气温度2000～2200 K;风扇和压气机的级数比目前发动机减少约1/2;有可能采用磁浮轴承或燃油冷却轴承而取消滑油系统,这将具有更完善的健康管理系统     

热辐射对气膜冷却叶片冷却性能影响

针对一种带有气膜冷却结构的涡轮一级导向叶片进行气-固-热耦合数值模拟,通过比较考虑/不考虑热辐射的温比和综合冷却效率,分析了多种辐射因素对叶片表面温度和冷却性能的影响。结果表明:入口黑体辐射温度在1200~1900K之间,叶片表面发射率在0.3~0.7之间时,考虑热辐射作用均会使叶片表面温度明显上升。入口黑体辐射温度1600K,叶片表面发射率为0.5时,叶片压力面温度整体上升约100K,叶片表面最高温度点（1350K）温度上升约50K;气体辐射对叶片吸力面和尾缘区域造成5%左右的温升;考虑辐射作用使得叶片综合冷却效率下降,叶片前缘和压力面尽管布置密集的气膜孔仍然难以满足冷却需求,综合冷却效率下降至0.3以下。      

民用飞机燃油箱系统热模型分析研究

飞机燃油箱系统热分析是飞机燃油系统设计和适航取证的关键技术之一。首先对燃油箱热模型分析方法进行了阐明,然后在典型热天环境中(地面温度为327K)对一种典型民用飞机燃油箱结构的热参数进行了工程计算研究。研究表明,外翼油箱、机身油箱以及集油箱内燃油温度分布不均匀;各油箱燃油温度在地面状态均高于巡航状态;燃油的最高温度时刻出现在地面终了状态,而且最高点位置出现在集油箱内。研究结果既可以指导飞机燃油箱设计,也可以为飞机燃油系统的适航取证提供一定技术支持。     

外涵引气加力喷油杆冷却特性模拟实验

根据实际需要,提出了新型外涵引气双层壁喷油杆的结构方案.共设计了不同结构尺寸的8种新型双层喷油杆冷却套,在流动特性研究的基础上进一步对其换热特性和高温工况下流动性能进行了对比实验.综合其引气和冷却性能,对比八种尺寸套管,选取了较为合适的冷却套管结构尺寸.并对这种尺寸的套管进行了油杆内壁温度沿杆高的变化、油杆内壁温度随冷却气总压的变化及油杆内壁温度随套管进口雷诺数的变化的研究.实验表明:可以有效从外涵引气(压差850 Pa时,引气量9 g/s),能够较大降低油杆内壁温度(冷却效率0.7以上).      

外涵引气双层壁喷油杆冷却特性数值模拟

通过数值模拟对新型加力用外涵引气双层壁喷油杆冷却性能进行了研究.该喷油杆为双层壁结构, 从外涵引气冷却喷油杆.首先对实验油杆冷却性能进行了计算, 并与油杆冷却性能模拟实验结果进行了对比, 两者变化规律基本符合, 表明该计算方法可用.随后用该方法对真实加力室油杆冷却性能进行了计算, 得到该喷油杆在真实加力室4个工况下外套及油杆内壁温度分布及从外涵引气量.数值模拟结果表明该双层壁喷油杆方案可以有效引气和降温, 使得喷油杆在高温的加力燃烧室内能正常工作.      

先进加力燃烧室设计技术综述

叙述了航空发动机加力燃烧室的发展历程和现状,指出加力燃烧室设计技术的发展是航空发动机性能需求提升的结果;分析了先进加力燃烧室的主要工作特点和新设计要求,包括超高的内涵气流进口总温和极高的加力温度,要求加力燃烧室具有更低的流体损失、更轻的质量、良好的隐身性能等;研究了先进加力燃烧室的新结构和设计新技术,如气冷稳定器和喷油杆、加力燃烧室一体化设计技术、值班稳定器的演变、可调隔热屏冷却技术、隐身性能设计和数值模拟等;展望了变循环、超级、凹腔驻涡和脉冲爆震等多形式加力燃烧室的发展趋势。     

加力用气冷气动雾化喷油杆冷却性能数值模拟

对新型加力用气冷气动雾化喷油杆的冷却性能进行了数值模拟。通过模拟计算,得到该喷油杆壁面温度随进口参数、吹气压力和不同结构等的变化规律;结果表明,在1300K高温气流中吹气冷却后,喷油杆表面最高温度比不吹气时降低100～150K。     

气冷气动雾化喷油杆冷却性能实验

为了能达到喷油装置在高进气温度环境下工作的要求,在加力试验台上针对三种不同结构的加力用气冷气动雾化喷油杆进行了冷却性能的实验研究,并应用传热学理论进行了经验公式的总结。试验结果证明,偏心喷油杆的冷却性能最佳,短套管结构质量最轻并在较大冷却气流量条件下可以正常工作。同时对不同冷却条件下的试验结果进行分析,建立双层管道夹层内湍流对流换热的经验关系式,并说明喷油杆应用于未来高进气温度加力燃烧室的前景。     

风兜面积对气冷喷油杆性能影响的数值研究

以某型涡扇发动机加力燃烧室气冷喷油杆为研究对象,在梯形截面的风兜下底和高度不变的情况下,通过改变上底长度得到一系列不同风兜面积的几何模型,综合考虑外流场对气冷喷油杆内部流动和换热特性的影响,对其在巡航状态下进行了流/热/固耦合三维数值模拟研究,获得了不同风兜面积对气冷喷油杆引气率、冷却空气喷口流量分布、壁面平均冷却效果、壁面最高温度的影响规律.结果表明:引气率随风兜面积增大线性增大;喷油嘴凸台周围冷却空气喷口的流量沿气冷喷油杆内冷却空气流向呈二次曲线规律变化,且随风兜面积增大分布趋于均匀;随风兜面积增大,喷油杆、隔热套壁面平均冷却效果线性增大,壁面最高温度降低;有效抑制内涵高温燃气倒灌进入隔热套是避免喷油杆局部高温的关键.      

一体化加力燃烧室冷态流动特性数值研究

将混合扩压器与火焰稳定器融为一体设计,并引入外涵冷流对高温结构件进行强化冷却,采用数值仿真方法,对比分析入口涵道比（0.278~0.583）和总温比（0.418~0.464）对一体化加力燃烧室中流动特征及其冷却性能的影响。结果表明:在研究参数范围内,大部分外涵冷流冷却隔热屏或直接进入加力燃烧室参与混合,仅有少部分进入火焰稳定器和联焰器,对其下游回流区没有影响,便于组织燃烧与稳定并传播火焰;外涵气流的流量分配对涵道比和温比变化不敏感;涵道比增加,特征面的流量系数下降约6.2%,总压恢复系数下降约3.2%,但是沿程热混合效率增加约6.1%;火焰稳定器的冷却效率随涵道比增加而提升约37.2%,但是其表面峰值温度降低不明显;温比对于该结构的流动特征与冷却特性影响都很小。      

加力燃烧室双层喷油杆内冷却气流动特性

对新型外涵引气冷却双层壁加力喷油杆的冷气流动特性进行了模拟实验,为双层喷油杆结构设计和冷却性能研究提供基础.通过对8套不同结构尺寸实验件的研究,得到了双层喷油杆冷却套管内气流流阻系数随来流质量流量的变化规律、流阻系数随双层喷油杆结构尺寸的变化规律和冷却套内气流雷诺数随进口总压的变化规律等.对8套实验件结果进行比较,综合三个因素最终选择了较为合理的新型双层喷油杆结构尺寸.这种尺寸的喷油杆流阻系数为1.2,迎风尺寸宽16mm较为合适,相同工况下冷却气的雷诺数最大.      

径向冷却通道截面特征长度对气冷稳定器性能影响

通过研究径向冷却通道截面特征长度的改变对气冷稳定器的冷态流场、冷却性能及流动损失的影响，为其进一步的优化设计提供参考依据。采用经过实验验证的CFD方法，对某气冷稳定器进行了数值模拟研究，在所研究的特征长度范围内，结果表明:特征长度的增加，减少了径向冷却通道下部的进气阻力，使得风兜引气率增加了667%；下部出气孔出流由于受到回流涡的影响，出流量明显低于上部出气孔，特征长度的改变对出流量分布的影响不大；特征长度的增加会加强径向稳定器近环形稳定器处的外壁面冷却效果，但是会减弱径向稳定器近中心锥处的外壁面冷却效果；特征长度的增加，使得出口总压恢复系数下降了0.086%，沿程总压恢复系数曲线向下移动。      

固体火箭冲压发动机补燃室流场三维数值计算研究

应用概率密度函数非预混模型,对固体火箭冲压发动机补燃室内的湍流燃烧进行了数值模拟。模拟结果表明：补燃室内发生着复杂的三维化学反应流动,存在对掺混燃烧有重要影响的头部回流和轴向涡流。补燃室内复杂的温度分布和空气与燃气的掺混、燃烧及流动状态有密切关系。提高空燃比,可增强补燃室中燃气的回流和轴向涡流强度,加大掺混力度,从而提高燃烧效率。