高温涡轮叶片液冷机理研究

本文是高温涡轮叶片液冷机理研究的第一部分。以水为冷却介质, 在均匀受热的铅直圆管内流动产生汽液两相沸腾, 测量其沿程流型、换热系数及其相互关系。在一定的加热条件下, 改变进口流量, 研究流动参数对流型变化的影响, 得到环状流区最长又不出现“烧毁”的最佳流型分布和换热系数, 并提出可供选用的经验公式。本文还进行了数值计算, 所得结果与实验吻合较好。      

高温涡轮叶片液冷机理的试验研究

本文在文献 [1]的基础上,用水为冷却介质,用均匀受热的倾斜与水平管模拟涡轮叶片冷却通道,研究其沿程流型和换热系数的变化及其相互关系,得出在各种倾斜角度、热流密度和进口冷液参数下,对饱和沸腾起始点 ZB与环状流起始点 ZN 的影响及对 ZB与 ZN 控制的经验公式。研究结果表明,汽液两相沸腾环状流区的换热系数比单相液流区提高近两个数量级,而且倾斜与水平管轴的上半部分各流型区的转换点均比下半部分提前,因此在实际应用时应以上半部分的“蒸干点”作为“烧毁”的控制点.      

考虑恒滞差流动的爆震波特性参数计算

在两相脉冲爆震的研究过程中,以恒滞差流动假设为基础,考虑气液两相性来计算爆震波的特性参数。计算结果与实验数据对比表明:考虑气液两相性计算得到的爆震波特性参数更能真实反映两相脉冲爆震的流动情况。     

基于EEMD气液两相流差压信号时频分析

为研究气液两相流流动过程的动态特性,采用V形内锥作为测量装置,通过高频差压变送器获得不同流型下的动态信号,提出了一种基于总体平均经验模式分解（EEMD）的气液两相流时频分析方法。通过对不同流型下的气液两相流的差压信号进行分析,研究了气液两相流的流动机理,为气液两相流流型及流量的准确测量奠定理论基础。分析发现EEMD的抗混分解能力很好,可以准确地提取两相流差压信号的频率成分及其时变情况,为今后两相流的识别提供理论基础,具有较高的工程应用价值。     

基于气体射流的气液两相流动减阻特性

为了明确射流表面减阻特性,基于气液两相流动原理,建立具有射流功能的气液两相流动减阻计算模型,采用数值计算方法,通过RNG k-ε湍流模型对射流表面不同射流方向角、以及不同气体射流速度情况下的流场进行数值模拟及实验验证,分析气体射流对壁面黏性阻力、减阻率及流场的影响,研究气体射流的气液两相的减阻特性。结果表明:气体射流表面能够减小壁面黏性阻力,具有较好的减阻效果;四种射流方向角下,射流表面减阻率均在气体射流速度为5m/s时达到极大值,并且当射流方向角在xoz平面为-30°时,减阻率最大,为7.18%;数值模拟的减阻率效果略高于实验结果;气体射流的气液两相流动对壁面边界层进行了有效控制,减小了壁面的黏性剪应力和雷诺应力,导致壁面的黏性阻力减小,使得射流表面具有减阻性能。     

SPH方法对气液两相流自由界面运动的追踪模拟

气液两相流动是自然界中常见的流动现象,对其进行数值模拟时要求必须能够准确跟踪界面运动变形。本文利用光滑粒子流体动力学方法,结合微可压缩模型(SCM),引入界面控制方法XSPH速度修正以及Van Derwaals状态方程修正,对典型的气液两相流动如二维溃坝、气泡上浮等问题进行了数值模拟,分析了空气和水相互作用机理以及界面运动规律,并同实验结果和其他数值计算结果进行了比较。结果表明,该方法在模拟多相介质界面运动问题准确有效,可用于处理更为复杂的多相流动工程问题。     

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.     

微小型航空发动机滚动轴承复合润滑冷却技术

通过CFD(计算流体动力学)分析,研究了调节喷入轴承腔内的混合油流量对腔内压力、气液两相分布规律的影响以及油气比的变化对轴承润滑冷却效果的影响.结果表明:混合油流量增大时,油气比增大,但轴承腔内压力分布规律基本不变,滚珠和保持架上受力不均效果增加;气液两相在轴承腔上游分布不均匀,滚珠位置对分布有影响;滚珠和保持架上油膜厚度分布不均,混合油流量的增加并不代表润滑效果的提升;混合油的冷却作用大于空气,油气比增大时可以增强轴承的冷却效果.      

高速来流发动机射流预冷及压气机湿压缩特性一体化分析方法

为了研究高空高速来流条件下发动机射流预冷及压气机湿压缩特性,本文针对发动机进气道部分和压气机部分的气液两相流动过程分别建立相应的计算模型,发展了一体化分析方法。对于进气道喷水后的气液两相流动,采用基于微元段思想的气动效应-蒸发冷却修正两步法建立一维计算模型;对于压气机湿压缩过程,采用基于CFD技术的欧拉-拉格朗日方法对气液两相流动进行建模。利用所建立的一体化分析方法,考虑真实高空高速来流条件,同时保证发动机在喷水前后具有等换算转速调节规律,对发动机射流预冷及压气机湿压缩特性进行分析,结果表明：射流预冷能够显著降低高马赫数来流下的压气机进气温度,使得相同最高物理转速下压气机换算转速提高,使压气机具有更好的气动性能;若液滴在进入压气机前蒸发完全,混入工质中的过量水蒸气会降低压气机的无量纲转速,使得同换算转速下压气机压比较不喷水时降低;小粒径液滴更快的蒸发作用有助于对高温气流的快速降温,当液滴粒径3μm和喷湿量为10%时,压气机进气温度较喷水前降低247.13K,同换算转速下物理转速仅为不喷水时的76%。     

微细管道内R141b沸腾气液两相流动与换热特性数值仿真

为探究微尺度管道内沸腾气液两相流动与换热机理,采用基于VOF多相流模型的数值方法研究了制冷剂R141b在水平微细管道内的流动沸腾换热过程,获得了制冷剂R141b在管道内的流型、温度、速度及表面传热系数分布,分析了制冷剂R141b在管道内流动沸腾换热的基本规律和气泡运动特点。研究表明,制冷剂R141b在微细管道内流动沸腾依次出现单相流,泡状流,受限泡状流,弹状流,间歇状流,雾状流等典型流型。制冷剂R141b在微细管道内温度沿轴向逐渐升高,速度沿轴向逐渐增大,表面传热系数沿轴向先增大后减小。由于质量流速的增大使得制冷剂气相和液相的流动速度增加,表面传热系数随之增大:相同热流密度下,计算的大质量流速工况较小质量流速工况的表面传热系数平均增幅为21.4%;热流密度的增大会加快制冷剂液相向气相转变的速度,表面传热系数随之增大:相同质量流速下,计算的大热流密度工况较小热流密度工况的表面传热系数平均增幅为23.9%。     

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。     

Numerical analysis of regenerative cooling in liquid propellant rocket engines

High combustion temperatures and long operation durations require the use of cooling techniques in liquid propellant rocket engines (LPRE). For high-pressure and high-thrust rocket engines, regenerative cooling is the most preferred cooling method. Traditionally, approximately square cross sectional cooling channels have been used. However, recent studies have shown that by increasing the coolant channel height-to-width aspect ratio and changing the cross sectional area in non-critical regions for heat flux, the rocket combustion chamber gas-side wall temperature can be reduced significantly without an increase in the coolant pressure drop. In this study, the regenerative cooling of a liquid propellant rocket engine has been numerically simulated. The engine has been modeled to operate on a LOX/kerosene mixture at a chamber pressure of 60 bar with 300 kN thrust and kerosene is considered as the coolant. A numerical investigation was performed to determine the effect of different aspect ratio and number of cooling channels on gas-side wall and coolant temperatures and pressure drop in cooling channels.     

内冷通道横流条件下气膜冷却特性

为了研究内冷通道横流条件下气膜冷却的流动和换热特性,采用窄带瞬态液晶测量技术获得了内冷通道横流条件下吹风比分别为0.5,1,2时气膜孔下游冷却效率和表面传热系数云图,并通过数值模拟得到了气膜孔内及下游区域流场的详细信息.结果表明:内冷通道横流对气膜孔下游冷却效率和表面传热系数分布有重要的影响.横流增强了气膜孔射流的展向分布能力,增强了高吹风比时气膜冷却效果.另外,气膜孔下游涡的分布出现明显的不对称性,涡的结构更加复杂.      

Ground experimental investigations into an ejected spray cooling system for space closed-loop application

Spray cooling has proved its superior heat transfer performance in removing high heat flux for ground applications.However,the dissipation of vapor–liquid mixture from the heat surface and the closed-loop circulation of the coolant are two challenges in reduced or zero gravity space environments.In this paper,an ejected spray cooling system for space closed-loop application was proposed and the negative pressure in the ejected condenser chamber was applied to sucking the two-phase mixture from the spray chamber.Its ground experimental setup was built and experimental investigations on the smooth circle heat surface with a diameter of 5 mm were conducted with distilled water as the coolant spraying from a nozzle of 0.51 mm orifice diameter at the inlet temperatures of 69.2 °C and 78.2 °C under the conditions of heat flux ranging from 69.76 W/cm~2 to 311.45 W/cm~2,volume flow through the spray nozzle varying from 11.22 L/h to 15.76 L/h.Work performance of the spray nozzle and heat transfer performance of the spray cooling system were analyzed;results show that this ejected spray cooling system has a good heat transfer performance and provides valid foundation for space closed-loop application in the near future.     

不同压比下冷却剂流量对塞锥再生冷却换热的影响

为了解塞式喷管发动机高低空不同的再生冷却换热特性,分别对二维型面内喷管和塞锥建立计算模型,采用数值模拟的方法,得出内喷管的冷却换热结果和出口参数,重点研究了塞锥在地面和设计点工作时的不同换热特性及其冷却剂流量的影响.计算过程中采用二阶迎风格式离散控制方程.计算结果表明:地面工况下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度和温度的影响较大,高空环境下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度的影响较小;在冷却剂流量相同的情况下,塞锥和塞锥底部在地面工况下的壁面温度要远高于在高空环境下的温度;在相同工况和相同冷却剂流量的情况下,塞锥壁面上的温度要远高于塞锥底部壁面上的温度.     

通道参数对再生冷却通道流动换热的影响

应用RSM模型对冷却通道的流动与换热进行了三维数值模拟,冷却剂为气氢,考虑其物性随温度和压力的变化.所得结果表明:增加壁面粗糙度使冷却剂换热强化,但会增加流阻损失;在突扩突缩区域会出现旋涡,旋涡使局部流阻损失加大且使湍流加强,壁温在旋涡出现处降低;冷却通道内的流动发展不受入口湍流强度的影响;冷却剂离心力引发径向平面内的二次流动,二次流引起的冷却剂质量重新分布使传热在凹曲率段强化,凸曲率段恶化.      

液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热研究

为了预测液体火箭发动机推力室的复合冷却性能,建立了推力室再生冷却通道和超临界氢的三维仿真模型以及推力室内燃气和超临界氢膜的轴对称二维仿真模型。通过边界耦合发展了液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热的数值仿真方法。对航天飞机主发动机推力室内部燃气、超临界冷却膜、室壁和再生冷却剂进行了流动与传热耦合计算仿真研究。研究表明,仿真方法可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热,计算得到航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为129MW/m2,最高壁温为885K,冷却剂温升为192K,压降为8.8MPa,结果与已有数据吻合较好。模型和仿真方法可用于液体火箭发动机推力室冷却系统传热计算和冷却结构的优化设计。     

新型半发散结构的冷却特性参数研究

根据席壁冷却的传热模型, 采用数值迭代法, 对席壁的冷却特性参数即壁面热效率和壁面温比进行了计算。结果表明, 席壁的冷却特性参数主要受壁面多孔度和冷却剂热容数的影响, 边界换热条件的影响不显着。与已有的实验数据相比较, 计算结果与之基本符合。      

摆盘流动与换热性能数值仿真

针对受燃烧室出口高温燃气冲刷的摆盘装置的冷却水回路,建立二维、三维物理仿真模型,模拟了冷却水在内部流道的 流动与换热过程,考察了冷却水进口压力、冷却水流量对流阻和换热性能的影响.结果表明:①摆盘冷却水进口压力由2.3×105Pa提高到8.3×105Pa,摆盘壁温变化微小,结构1壁温升高5K,结构2壁温升高7K;②冷却水进口速度由0.5m/s提高到5.3m/s,结构1壁温降低约120K,结构2壁温降低约100K,冷却效果明显;③结构2通过缩小流道的流通面积,能在更小的冷却水流量的工况下得到更好的换热效果.