超临界压力航空煤油热声振荡与传热恶化实验研究

为了深入理解超燃冲压发动机再生冷却系统中碳氢燃料的流动传热规律,对竖直上升圆管内RP-3航空煤油的超临界对流换热做了实验研究。详细探讨了质量流速、热流密度、压力等对管壁温度和换热系数分布的影响,并拟合得到了过渡区和湍流区的对流换热经验关系式。结果表明:近临界和较高压力下的换热呈现出迥异的特征。在近临界压力过渡区的高进口过冷度工况,近壁流体密度和黏度的综合作用引起了热声振荡现象,使换热显著增强;而主流温度处于拟临界温度附近时却出现了由近壁流体体积急剧膨胀导致的传热恶化现象。在高压力下,过渡区热声振荡和湍流区传热恶化都不会出现,但低质量流速时强浮升力使过渡区进口段出现了严重的壁温飞升现象。新关系式具有良好的适用性,预测值与实验值的相对误差在20%以内。     

超临界压力航空煤油不稳定流动实验

对竖直上升圆管内超临界压力航空煤油的不稳定流动开展了实验研究。考察了管内壁温度、质量流量、出口温度、进出口压差等参数随时间的振荡情况,阐述了不稳定流动的诱发原因和反馈机制,建立了不稳定流动临界热负荷的预测关系式。结果表明:不稳定流动工况中发现了管内壁温度和进出口压差的异常波动。边界层发展过程中传热恶化形成类气膜是不稳定流动的诱因,存在两种类型的反馈机制:一方面,类膜态沸腾和类核态沸腾交替引发恶化换热和强化换热,导致热力不稳定;另一方面,压力扰动出现声波,压缩波使类气膜厚度减小且传热改善,膨胀波使类气膜厚度增大且传热变差,导致声波不稳定。两种反馈机制的综合作用形成热声振荡现象。      

竖直下降圆管内超临界压力RP-3航空煤油传热恶化实验研究

为理解空-油换热器中的冷却换热特性，对竖直下降圆管内超临界压力RP-3航空煤油的换热进行了实验研究。探究了稳态换热特征和换热机理，探讨了质量流量、热流密度、运行压力和进口温度对换热的影响；基于拟沸腾数提出了传热恶化的临界准则以及壁温最大飞升值的预测准则；通过浮升力和热加速判别准则分析了两者对换热的影响；实现了换热关联式预测。结果表明：浮升力和热加速对换热的影响可以忽略。拟沸腾换热机制，即近壁流体膨胀力相比惯性力占主导时，类气态流体层覆盖壁面是传热恶化的原因。当拟沸腾数高于2.5×10^-4时，拟沸腾换热机制起作用。最后，探究了泄压过程中的瞬态换热特征。泄压过程中拟沸腾数不断增大，传热恶化加剧，高泄压速率下甚至出现壁温波动。     

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。     

超临界压力下碳氢燃料在竖直圆管内换热特性

以国产航空煤油RP-3为对象研究了超临界压力下热流密度和进口温度对碳氢燃料在竖直向上管和竖直向下管的换热特性的影响.实验中热流密度变化范围为300~600kW/m2,进口温度变化范围为293~723K,压力及流量分别保持为5MPa以及3g/s.研究表明:在所有实验工况下,实验进口处将首先出现换热恶化现象,之后随着热边界层的充分发展换热逐渐增强;当管内流体状态从超临界压力液态过渡到超临界状态,由于物性的显著变化将导致换热沿管程方向得到显著强化.当进口油温超过其拟临界温度后,由于碳氢燃料吸热能力迅速降低导致管内出现了换热恶化.对于竖直向上流与竖直向下流,即使浮升力判断因子的值小于10-5,浮升力的影响仍然不能忽略.最后,在实验结果基础上,提出了超临界压力碳氢燃料在微细管内流动的强迫对流换热经验关系式.      

超临界压力正癸烷在竖直圆管内的流动阻力实验

研究了加热条件下超临界压力下正癸烷在竖直细圆管内的流动阻力特性,分析了热流密度、系统压力以及进口温度对摩擦压降的影响规律。实验结果表明:当流体温度较低时,流体摩擦压降随着热流密度的升高而逐渐降低;当流体温度逐渐接近拟临界温度时,由于物性的剧烈变化,流体摩擦阻力压降随着热流密度的升高而增加。并且系统压力越低,拟临界点附近的变化就越剧烈。当流体温度高于拟临界温度时,物性变化趋于平稳,流体摩擦压降随热流密度升高而增加。基于实验结果,总结出了一种针对不同温度、不同热流密度与质量流速比值范围的摩擦阻力系数经验关系式。      

考虑非平衡效应的过冷水滴凝固特性

非平衡凝固是过冷条件下水滴凝固过程的重要现象。本文针对飞机结冰过程过冷水滴的非平衡凝固效应,发展了改进的凝固特性预测模型及数值计算方法,并自行搭建了实验系统,开展了所建过冷水滴凝固模型与数值预测方法的实验验证。研究表明,所发展的改进模型可有效表征水滴过冷阶段的非平衡凝固效应,因而对冷水滴凝固速率的预测有较好的改进;当过冷度为0℃时,过冷模型退化为传统模型。基于所建方法,开展了过冷度及冷却条件对水滴凝固特性的影响分析,获得了不同条件下水滴凝固过程的温度分布及相界面变化特征。研究表明,过冷度越大或水滴尺度越小,凝固速率相对越高;在考虑非平衡凝固效应的条件下,过冷水滴凝固速率要高于不考虑非平衡凝固效应的工况。相关研究可为结冰热力学模型的改进,以及结冰特性的精细化预测提供参考。     

超临界碳氢燃料流动不稳定的频域分析与数值模拟

再生冷却通道中的流动失稳是高超声速飞行器发动机热防护技术中的核心问题之一。为研究超临界碳氢燃料在冷却通道中的流动不稳定特性，基于有限体积法及流体物性近似，发展了高效的一维瞬态模拟方法；同时，基于小扰动假设，进一步提出了用于预测稳定行为的频域分析方法。通过相关实验，验证了模型的可靠性。基于时域和频域方法的综合分析，沿内特征曲线讨论了主要失稳类型，重点分析了受密度波及Ledinegg不稳定共同影响的复合不稳定性。随后，进一步分析了工作压力和入口温度对稳定特性的耦合影响，并基于N_tpc-N_spc空间划分了稳定区域。研究发现，复合不稳定、Ledinegg不稳定以及密度波不稳定，随入口温度升高而相继消失。Ledinegg不稳定及密度波不稳定的稳定边界在N_tpc-N_spc空间具有高度相似性，而复合不稳定性的区域在较高的压力下略有缩小。     

轴向双级反旋预混喷嘴燃烧调整边界实验研究

干式低污染燃烧室为保证安全、稳定、高效的运行状态，通常需要进行燃烧调整。本文针对一种干式低污染燃烧室用轴向双级反旋预混喷嘴，在常温常压条件下开展燃烧调整边界实验研究。测量并探究了影响燃烧调整边界的因素，如贫熄火边界、污染物排放边界以及动态压力脉动边界，着重分析了喷嘴内的剪切层稳焰机理以及火焰根部跳动与壁面相干作用导致的热声振荡机理。研究结果表明，由NOx、CO、火焰状态、动态压力脉动和熄火边界共同决定的稳定运行边界在低负荷条件下为当量比0.576～0.714，随着热负荷升高，运行边界有所收窄。对比分析了纯甲烷以及掺50%H2两种燃料的燃烧调整边界，燃料加氢后边界整体向低当量比移动，运行窗口宽度得到拓展。     

超临界压力航空煤油RP-3在竖直微细管内的对流换热实验

以实验方式对超临界压力RP-3在内径为1.09mm微细管内的对流换热进行了研究,剖析了系统压力、加热热流密度、流动方向及浮升力这些因素对对流换热的影响。实验中热流密度控制为180~460kW/m2,系统进口压力变化范围为3~5MPa,进口雷诺数在3200~10200范围内变化。结果表明:对于向下流动,在实验段入口处浮升力对换热产生了恶化作用,热流密度越大,恶化作用越强;系统压力主要是通过影响流体热物性对对流换热产生影响;不同流动方向对对流换热的影响十分显著,整体上向下流动换热得到强化,向上流动换热得到恶化。      

浮升力对竖直上升圆管内超临界航空煤油换热的影响及评价准则

为深入理解航空发动机再生冷却热防护中的换热机理,对竖直上升圆管内超临界压力RP-3航空煤油的传热恶化开展了实验研究。探究了两类传热恶化的换热特征和形成机理,考察了热流密度、质量流量和进口压力对传热恶化的影响机制。获得了两类传热恶化的起始条件判别准则。以Nu/Nu0=0.75作为依据,建立了浮升力影响评价准则。通过格拉晓夫数修正实现了换热关联式预测。结果表明：两类传热恶化出现在不同条件下,低温区传热恶化源于边界层转捩和浮升力的综合作用,当进口雷诺数高于5730时其不再出现;高温区传热恶化的临界热流密度可以表述为质量流量的函数关系。当浮升力参数Grb/Re2.7和Gr/Re2分别高于10-7、10-3时,浮升力作用不可忽略。改进的换热关联式具有合理的预测精度,满足热防护系统设计的工程运用。     

进气加温模拟装置对涡扇发动机进气流场稳定性影响试验

为分析新设计的进气加温模拟装置对涡扇发动机进气流场稳定性的影响,对试验设备、测试方案、进气流场的稳定性评 估方法和试验方案进行设计研究。通过开展气源供气温度、供气流量和发动机状态多因素匹配工况下涡扇发动机与进气加温模 拟装置的联合试验,确定发动机进口气流稳定性指标的最高值。对不同试验工况数据进行计算分析,结果表明：进气加温模拟的 稳压进气道对发动机进口压力场影响较小,发动机状态稳定时进口温度场只有1个高温区,T 1 升高以及发动机状态提高,温度场及 压力场不稳定性增大,多工况下发动机温场周向不均匀度最大为0.6907%,压力场周向畸变指数最大为0.0187%。进气加温模拟 装置条件下,发动机压力场和温度场稳定性情况满足发动机试验要求,可为后续开展发动机进气加温试验提供参考。     

Experimental study on flow excursion instability of supercritical hydrocarbon fuel in scramjet regenerative cooling parallel channels

Flow instability of supercritical hydrocarbon fuel is a crucial issue in scramjet regenerative cooling structure. In this study, flow excursion instability and flow distribution in parallel tubes were experimentally studied for supercritical fluids. Two types of flow excursion occur in a single tube. Type I and Type II excursions, and they are corresponding to decreasing and increasing flow rate respectively. They can trigger flow maldistribution between parallel tubes and the hysteresis phenomenon of flow distribution. The effects of system parameters, including inlet temperature, system pressure, and heat flux, on flow distribution were analyzed. In addition, the relationship between flow excursion and the pseudo-critical interval proposed in the literature was established according to the heated tube outlet temperature at the onset of flow instability. Finally, the flow excursion instability boundary was obtained using two dimensionless parameters. These experimental results can provide helpful insight on the mechanism of Scramjet regenerative cooling.     

波瓣喷管引射-混合器的数值研究与验证

对基于CFD数值预测波瓣喷管引射 混合器引射流量比的计算方法进行了探讨,在计算过程中,主流进口采用速度边界条件,二次流进口采用总压压力边界条件,混合流出口采用静压压力边界条件,两者均设置为环境大气压力,与相关实验数据的对比验证表明计算结果与实验结果仅相差10%左右;同时通过改变混合管结构参数,得到了混合管结构参数对引射 混合特性的影响规律,进一步揭示了波瓣喷管有利于强化引射 混合的内在机理。在波瓣喷管出口对应于波谷区域存在一个相对低的静压区,对于引射 混合器系统存在一个最优的性能设计点,计算结果符合物理过程本质。     

波瓣喷管引射-混合器的数值研究与验证

对基于Navier-Stokes方程理论预测波瓣喷管引射一混合器引射流量比的计算方法进行了探讨，在计算过程中．主流进口采用速度边界条件，二次流进口采用总压压力边界条件，混合流出口采用静压压力边界条件，两者均设置为环境大气压力，与相关实验数据的对比验证表明计算结果与实验结果仅相差10％左右；同时通过改变混合管结构参数．得到了该参数对引射一混合特性的影响规律，进一步揭示了波瓣喷管有利于强化引射一混合的内在机理，计算结果符合物理过程本质。研究表明，本文的计算方法可以有效地预测引射流量比和揭示混合流场特性。     

侧载及加热方位对槽道内临界热流密度影响

为了研究侧载以及加热方位对矩形窄缝槽道内临界热流密度特性的影响,在旋转平台上进行了两相流的超重力实验.以蒸馏水为工质,通过改变质量流速、入口温度、侧载大小以及加热方位,获得了发生临界换热现象时的质量流速、实验段压降和壁温的变化趋势,考察了侧载和加热方位对临界热流密度的影响规律,并对侧载下两相流不稳定性进行了简析.实验表明:发生临界换热时,壁温迅速上升,有效加热热流开始减少,关闭加热电源后,实验段压降下降、质量流速回升较明显;侧载以及不同的加热方位对临界热流密度有明显影响;临界热流密度发生前后,蒸汽回流导致进口温度上升,增加了流动的不稳定性.      

高压涡轮后腔流阻特性与瞬态换热试验研究

在航空发动机二次流系统中,涡轮盘腔的流动和换热问题伴随着复杂的几何、流动及热边界条件,为探究其流场和换热特性对发动机设计的重要作用,对一具有预旋进气孔和高、低半径出口的高压涡轮后腔内的流阻特性和转盘盘面的换热特性进行了试验研究,主要应用瞬态液晶测试技术对转盘表面的对流换热特性进行了测量。在试验中,旋转雷诺数Re_ф变化范围为8×10~5~1.0×10~6,无量纲二次流量(流量系数)C_W变化范围为5.29×10~3~1.19×10~4。试验结果表明:腔内压力及流阻特性受进气流量C_W和转盘转速Re_ф的影响;转盘表面的换热随着半径的递增以及预旋比β_p的增大而增强;出口湍流参数λ_T对换热特性影响很小。     

某三级低压风扇不同工况叶尖间隙的变化规律及气动影响

通过模型分析结合数值模拟,对某三级低压风扇不同工况叶尖间隙变化规律及其对风扇气动性能的影响展开研究.根据叶尖间隙预估模型计算发现,三级低压风扇叶尖间隙变化具有主要与转速相关,同一转速下从堵塞点到近失速点叶尖间隙的变化并不大的特点.针对这一特征,提出了评估叶尖间隙变化对稳定裕度影响的方案.通过对使用冷态装配间隙和模型预估运行间隙分别进行全工况特性线数值仿真,结果发现:转速越大,叶尖间隙变化导致的影响也增大.在该三级低压风扇100%设计转速,叶尖间隙变化会带来0.5%进口流量、0.5%最大绝热效率以及5%稳定裕度的差异.