火箭发动机喷管辐射及壁温的计算研究

研究了火箭发动机复合喷管的耦合换热及瞬态壁温的计算方法,考虑了扩散控制的C/C喉衬的稳态烧蚀,建立了封闭腔-净辐射模型计算喷管内的辐射换热,改进了喷管辐射换热的计算方法.计算了两种复合喷管的壁温随时间的变化,并与有关文献的结果进行对比.研究表明:在火箭发动机喷管的入口段,高温燃气对壁面的辐射换热热流比对流换热热流强;采用封闭腔-净辐射法计算火箭发动机喷管的辐射精度较高.      

涡轮发动机高温隔热涂层内的传热研究

高温环境中的金属部件, 通常采用表面涂层技术以降低金属材料的温度和热力梯度。氧化锆、陶瓷等涂层材料对热辐射是半透明的, 因此, 高温下涡轮发动机的热分析需要考虑涂层内辐射换热的影响。本文考虑了各种界面辐射特性: 不透明界面和半透明界面, 镜反射和漫反射。采用光线踪迹 /节点分析法计算了吸收、各向同性散射性介质内的辐射传递系数。结合控制容积法数值模拟了涡轮叶片和燃烧室衬垫涂层内的辐射与导热瞬态耦合换热。      

燃烧室辐射换热一维区域法模型研究

目前用于工程计算燃烧室辐射热流的Lefebvre零维辐射模型,不考虑燃气区域对附近壁面的辐射影响,过于简化,不能反映实际燃烧室火焰筒内的辐射换热过程。本文发展了一种机理严密,精度高的用于燃烧室壁温计算的区域法辐射换热模型。文中采用Lefebvre模型和区域法模型计算了一个圆筒型不冷却火焰筒结构的换热;对比分析了两种方法计算的壁面辐射热流和壁面温度分布情况。结果表明,使用Lefebvre模型计算时,由于将燃气按一维划分为定向辐射,在燃烧室前后壁面辐射热流较小,存在一定不足;而使用区域法模型计算时,辐射热流分布更趋合理。     

求半透明材料导热系数的复合换热反问题

在激光脉冲法测不透明材料导热系数的基础上,本文提出了一种已知半透明材料辐射特性,求其导热系数的复合换热反问题方法。      

运用区域法模型计算燃烧室内一维辐射换热

采用一种机理严密,精度高的区域法辐射换热模型用于燃烧室壁温计算.采用Lefebvre模型和区域法模型计算了一个圆筒型不冷却火焰筒结构的换热;对比分析了两种方法计算的壁面辐射热流密度和壁面温度分布情况.结果表明,使用Lefebvre模型计算时,由于将燃气按一维划分为定向辐射,在燃烧室前后壁面辐射热流密度较小,存在一定不足;而使用区域法模型计算时,辐射热流密度分布更趋合理.      

导热-辐射耦合传热的多尺度分析和数值模型

复合材料高温传热特性的准确预测对飞行器热防护结构的设计有重要意义,相关模型也是国家数值风洞工程中多相多介质计算模型的重要组成部分。针对周期性结构复合材料的高温传热问题,利用多尺度渐进分析方法,对包含导热方程和辐射传输方程的导热-辐射耦合传热模型开展了研究。建立了表征单元尺度模型及宏观平均导热-辐射耦合传热模型,获得了材料宏观等效导热系数与表征单元模型间的关系,发现宏观等效辐射吸收和散射等系数可通过表征单元内的体积平均求取。结合有限容积方法与格子Boltzmann方法,建立了复合材料导热-辐射耦合传热多尺度数值模型。采用二维常物性材料传热过程的模拟验证了多尺度模型的有效性,结果表明所建立的多尺度模型能够对温度场给出准确高效的计算结果。该方法有助于为复合材料传热特性的预测提供数值手段。     

燃气非平衡流再生冷却流动传热数值模拟

为准确预测液体火箭发动机推力室身部再生冷却换热状况,采用数值模拟方法,对燃气、推力室壁和超临界气氢进行三维流动和换热耦合计算。采用6组分9步反应动力学模型计算燃气的非平衡化学反应,采用DO模型计算燃气辐射换热,考虑超临界气氢物性随温度和压力的变化。获得了室壁温度场、燃气及冷却剂流场。结果表明,Redlich-Kwong方程、Peng-Robinson方程、Lucas法、TRAPP法能分别准确计算超临界氢的密度、定压比热容、粘度、导热系数,采用燃气非平衡流计算所得流场值更符合实际情况。     

燃烧过程辐射换热离散坐标模型的应用

对离散坐标(DO)辐射传热模型分别在长方体空间和旋流燃烧室内进行了验证与应用。长方体空间的计算结果表明:DO模型的纯辐射传热预报结果比六热流(SHF)模型准确,与计算精确的区域法的计算结果吻合较好,而SHF模型的预报结果却有较大的误差。对于旋流燃烧室内温度场的模拟预报也表明,DO模型的计算结果和实验值相吻合,明显高于用SHF模型计算所得的温度值。另外,DO模型在计算时间和边界处理等方面比区域法优越;在收敛速度和计算准确度等方面也比工程常用的六通量模型优越。      

高温圆管内多孔介质耦合换热的辐射作用

通过数值模拟圆管内填充多孔介质的辐射对流耦合换热,研究高温固体骨架辐射效应对温度分布及换热的影响.基于局部非热平衡模型分别建立流体和固相能量方程,采用蒙特卡罗法求解固体骨架的辐射换热;对不考虑热辐射引起的温度场偏差和管壁发射率以及多孔结构参数的影响进行讨论.结果表明:多孔固体骨架的辐射效应对入口段温度场的影响明显,不考虑辐射将导致较大偏差,壁温为1500K时最大偏差为16%.管壁发射率对温度场影响较小,壁温为1500K时影响小于3%.孔隙率或孔径增大,壁面辐射热流密度比例增加,辐射效应体现明显.      

单凹坑壁面的瞬态红外传热测量与流场显示

为了揭示凹坑冷却结构的强化传热机理,基于第三类边界条件下的一维半无限大瞬态导热模型,用红外热成像仪的瞬态测温技术和金属网快速加热技术,对矩形通道内壁面进行了瞬态传热测量,获得了光滑壁面和带有单个球面凹坑壁面的局部对流换热系数分布,并用油-粉末法对凹坑壁面进行了壁面流场显示,实验雷诺数范围1.58×104~6.36×104。实验发现凹坑强化换热与其诱导形成的涡流结构密切相关,单个球面凹坑引起的涡流可以使凹坑下游边缘附近的局部换热最大增强80%左右,凹坑下游尾迹区域的平均换热增强20%~30%。     

基于多孔介质的指尖密封各向异性传热模型

在指尖密封多孔介质流动模型的基础上，将指尖密封片之间的接触传热附加于固体导热之中，之后通过对密封固体结构与结构内流体的耦合各向异性传热进行理论分析，建立了指尖密封各向异性传热数学模型；基于商业软件Fluent中的用户自定义标量（UDS）方程功能，开发了多孔介质各向异性传热数值计算模块，并数值模拟了指尖密封结构内的流动与传热特性。结果表明:指梁与指尖靴区域的各向异性有效导热系数张量与孔隙率、径向和周向位置以及轴向接触热阻等因素相关；指尖密封最高温度出现在指尖靴与转子接触面的略下游处；与各向同性传热模型相比，采用各向异性传热模型时,指梁下部和指尖靴区域沿径向和轴向存在较大温度梯度，但温度沿周向的变化两者均很小；泄漏量随着压差的增加逐渐增大，随着转子转速的增加基本不变；指尖密封最高温度值随着压差的增加逐渐减小，随着转子转速的增加逐渐增大。      

带交错肋结构涡轮叶片复合通道的实验

采用实验的方法,研究带交错肋结构和纵向隔板的涡轮叶片内冷通道的流动与换热.实验采用相变加热的方法,为模型实验件提供等壁温边界条件,实验在Re=10 000～60 000之间进行.实验模型采用了交错肋结构和扰流柱结构,分别与两种纵向隔板组合进行实验,以期望得到综合传热效果最优的组合.实验件的一侧外壁面被分成10个区域以期望了解实验件局部换热情况.实验结果表明:带交错肋结构的通道的换热效果好于带扰流柱结构的通道的换热效果.当Re<30 000时,综合传热性能最佳的是带波形隔板加交错肋0612组合结构的通道,当Re>30 000时,综合传热性能最佳的是带波形隔板加交错肋0412组合结构的通道.      

层板冷却涡轮叶片前缘内部流动与传热特性实验

基于相似理论,对简化的层板冷却涡轮叶片前缘放大模型内部的流动与传热特性进行实验研究,对比了无绕流柱和带菱形扰流柱两种实验模型的流动阻力系数、靶面温度和表面传热系数的分布.实验中采用红外热像技术测量换热面的温度,采用ANSYS软件计算换热面的局部热流密度.结果表明:两种模型的流动阻力随进气雷诺数逐渐增大,带菱形扰流柱模型的流动阻力总体上较大;靶面局部表面传热系数的分布特征基本相同,带菱形扰流柱模型的局部表面传热系数比无扰流柱模型的稍高;靶面平均表面传热系数的差别很小,相同进气雷诺数下带菱形扰流柱模型的平均表面传热系数值最多大7%.      

纳米隔热材料热辐射特性的理论计算

高温下纳米隔热材料内热辐射的影响将显著增强,其热辐射特性对热辐射传热有很大影响。为了认识高温纳米隔热材料的热辐射特性,采用Mie理论建立了掺杂纤维增韧剂和遮光剂的纳米隔热材料热辐射特性理论计算方法,编写了纳米隔热材料热辐射特性计算程序,对某纳米隔热材料的热辐射特性进行了理论研究,得到了光谱衰减系数、光谱散射反照率以及全光谱平均辐射特性参数及散射相函数。理论模拟结果表明:在3～9.5μm波长范围内,纳米隔热材料对热辐射具有强烈的衰减作用,对3～7μm的热辐射呈现强烈的散射特征,对7～9.5μm的热辐射,随波长增大散射特征逐渐减弱,对9.5μm的热辐射呈现较强的吸收特征。在300～1 300 K,该纳米隔热材料全光谱平均衰减系数>5×104 m-1,平均散射反照率>0.96,具有较强的前向散射特征,这些特征来源于遮光剂粒子,增韧剂影响很小。     

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%.      

半透明高温涂层的内部辐射效应

为了准确计算涂层和金属基底内的温度和热流，需要考虑涂层内部热辐射的影响。采用光线踪迹／节点分析法对吸收、各向同性散射性非灰涂层内的辐射与导热瞬态耦合换热进行数值模拟。与多个文献的计算结果比较表明，计算方法正确，计算结果精度高。数值模拟结果表明，忽略涂层内的热辐射会使实际运动中的金属部件温度高于设计温度。     

气壁镀镍和冷却剂入口对再生冷却的影响

考虑冷却剂入口模型及气壁镀镍,对液体火箭发动机推力室再生冷却通道和冷却剂进行三维流动与传热耦合计算.采用经验公式计算燃气侧对流及辐射换热,冷却剂为甲烷,考虑其物性随温度和压力的变化.所得结果表明:冷却剂入口二次流及突扩流场的叠加,使局部压力损失变大,影响进口下游较大区域流动传热状况;气壁镀镍能提高气壁的耐高温性,降低气壁锆铜的温度.      

非等直径柱肋阵列的冷却特性

为优化柱肋阵列冷却效果,通过缩小柱肋阵列中局部柱肋直径得到3种非等直径柱肋阵列通道。采用瞬态液晶测试技术和数值模拟方法研究了其传热和流阻特性。结果表明:保持奇数排柱肋直径的大小,仅减小偶数排的直径,能在传热减弱不多的情况下,使通道的流动阻力大幅降低。适当调整奇/偶数排柱肋的直径,雷诺数为10 000~50 000,奇偶数排柱肋直径比为1.4的非等直径柱肋阵列通道,其平均传热系数仅减小了约6%,而阻力系数则减小了约21%。      

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。     

气动加热下光学窗口传热特性的数值模拟

针对气动加热条件下光学窗口辐射导热耦合传热开展研究,以了解光学窗口的热辐射发射规律及热防护性能。采用有限体积法、蒙特卡罗法、谱带模型建立了具有镜反射界面的光学窗口辐射传输及辐射导热耦合传热计算模型,对具有两层SiO2玻璃的光学窗口传热特性进行了模拟。结果表明处于高温区玻璃向外发射热辐射,低温区玻璃吸收热辐射;除了加热面附近外的玻璃区域,辐射热流密度远大于导热热流密度,在2.9～4.2μm谱带内的辐射热流密度大于0.4～2.9μm谱带内的;在0.4～2.9μm谱带内,可见光波长内的出射辐射热流密度最小,中红外波长范围内出射辐射热流密度最大。在光学窗口总厚度一定的情况下,降低玻璃层厚度和玻璃夹层气体热导率能够有效降低光学窗口非加热面稳态温度。