燃烧产物二氧化碳高温辐射的窄谱带模型参数

窄谱带模型法与CG近似及LS近似结合能够很好处理非灰、非等温、非均匀介质的辐射传输问题,在飞行器发动机燃烧室及尾喷焰高温辐射传输问题研究中多被采用。二氧化碳是含碳类推进剂主要的燃烧产物,其辐射特性的研究一直受到国内外重视,但其现有的窄谱带模型数据不完整或分辨率太低。本文利用最新的高分辨率高温燃气光谱数据库HITEMP(序列号:3153),并将其中的谱线光谱参数外推到300～3000K的温度范围内,计算得到了一个新的、完整的、分辨率较高的二氧化碳窄谱带模型参数库。以本文计算的模型参数为基础,采用窄谱带模型计算了各种光学路径下的发射率、穿透率,其结果与实验值符合很好。      

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。     

再生冷却推力室耦合传热数值模拟

对大推力液体火箭发动机再生冷却推力室内部燃气、室壁和再生冷却剂进行了耦合传热数值计算.采用二维轴对称N-S方程描述推力室内部燃气的湍流流动与传热,对冷却剂流动采用简化的一维模型,通过室壁的偶合传热采用一维传热模型.N-S方程的求解采用贴体坐标系下的有限容积法,速度和压强的耦合采用可压缩的SIMPLE算法.湍流的模拟采用可压缩的标准κ-ε模型,辐射传热采用热流模型计算.研究表明,本文方法可较好地模拟燃气的二维流动,同时能快速计算壁面热流密度、壁温和冷却套温升,计算结果对大推力发动机推力室的设计具有一定的指导意义.     

有限元传热分析中燃气辐射处理方法及其在飞机结构热分析中的应用

 研究了有限元传热分析中有吸收-发射性介质( 或称弱吸收性介质, 例如燃气) 参与辐射传热时的处理方法。通过对有、无吸收-发射性介质的封闭包壳的辐射能量交换方程的分析, 提出了用表面边界单元替代其辐射效应的准则; 研究了有吸收-发射性介质参与辐射时表面间辐射角系数计算方法及编制了相应的计算程序。最后, 对某型飞机机尾罩的温度场作了计算并对结果进行了分析。     

角度-空间间断谱元法的遮蔽条件下二维热辐射特性研究

航空发动机燃烧室温度分布对燃烧室结构设计、燃烧过程检测均具有重要意义。燃烧室结构封闭且复杂、存在大面积的辐射遮挡,这给计算其内部由热辐射引起的温度变化分析带来了一定困难。本文提出采用角度-空间间断谱元法求解遮蔽条件下封闭腔内热辐射问题。在求解过程中,通过黎曼迎风方案对空间单元边界上的辐射信息进行分割,实现单元间信息的有效传递。通过与文献结果进行对比发现：角度上采用间断谱元法可有效抑制辐射遮蔽带来的数值振荡,相同角度离散单元数下,可以获得比离散坐标法更光滑的计算结果。通过分析网格数和基函数阶数对数值结果的影响,发现该方法具有hp收敛特性。此外,控制角度计算节点相同,在与离散坐标法相当的计算精度下,消耗更少的计算时间。     

月球探测器发动机羽流辐射热流计算

火箭发动机羽流的辐射的计算需要求解气体介质的辐射传递方程(RTE).计算模型中基于单线组(SLG)模型考虑气体组分的光谱特性,并采用离散传递法(DTM)求解RTE,对波长积分得到辐射热流密度.通过对圆柱高温CO₂气团辐射热流计算来验证计算程序,然后在流场计算的基础上,计算了月球探测器主发动机和姿控发动机羽流对各部位和仪器的辐射热流密度,根据对不同工况计算结果的分析为探测器的设计提供参考.      

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.      

模拟飞机尾喷焰辐射传输的非结构有限体积法

有限体积法因其物理意义明确,在流动与传热的数值计算中有广泛的应用。在利用有限体积法求解辐射传输问题时,不仅能够保证在每一控制体内辐射能量守恒,还可以保证在每一个控制立体角内辐射能量守恒,因而使得模拟结果具有较高的精度;同时,非结构化网格技术是处理复杂几何形状物理问题的一种有效方法。本文编写了求解辐射传输的非结构化有限体积法程序,将计算结果与其他文献的算例进行了对比,证明了模型和程序的正确性,分析了各种因素对程序计算精度和计算时间的影响。在此基础上,将求解辐射传输的非结构化网格有限体积法程序集成到Fluent软件中,计算了飞机尾喷焰的温度场分布。     

发动机高速排气系统红外辐射特性的数值计算和分析

本文以排气系统三维流场数值计算为基础,采用了封闭腔理论算法及波带透过率计算模型,通过求解耗散-发射性介质中的辐射传输方程的方法,对发动机高速排气系统的热空腔辐射、喷气流辐射及热空腔-喷气流组合辐射进行了数值计算,并将计算结果与发动机实测结果进行了分析比较。研究结果表明,红外辐射的计算值与实测值相比,误差不大于30%,且其空间分布基本一致。所开发的计算方法与程序可用于排气系统红外辐射特性的数值计算与分析,基本满足工程设计的需要。     

超声速补燃的数值模拟和实验研究

利用富燃料固体推进剂燃烧产生的高温燃气与侧喷空气混合进行了超声速补燃实验。运用有限体积法求解轴对称N－S方程和组分方程，对实验流场进行了数值模拟，计算中采用了LU时间陷式格式、MUSCL空间离散方法、12组分16反应的化学反应模型，对化学反应源项进行了点隐式处理。结果表明：实验方法可行，计算结果合理、可靠。     

高温下加热/冷却管内参与性介质的辐射与对流耦合换热研究

本文通过数值模拟方法研究了高温下加热/冷却管内层流充分发展流动的参与性介质热起始段的辐射与对流耦合换热。采用离散坐标法求解圆柱坐标系下的非线性积分微分辐射传递方程,采用有限差分法求解辐射与对流的耦合换热能量方程。通过计算,分析了不同壁温及入口温度下,介质导热系数、壁面发射率、介质散射反照率及散射相函数等因素对局部努谢尔数、壁面热流密度及有效加热/冷却长度的影响,并同时采用努谢尔数和壁面热流密度评价了耦合换热中辐射对对流换热的影响。      

Numerical simulation of the infrared radiative signatures of liquid and solid rocket plumes

In this paper, a finite volume method was developed to compute the infrared radiative signatures of both liquid and solid rocket plumes, and to investigate the radiative signatures on two wavebands, 2–6 and 8–12 μm bands, respectively. This method is based on the radiative transport equation for local thermodynamic equilibrium, which accounts for radiative heat transfer in inhomogeneous emitting, absorbing, and non-isotropic scattering media. The radiative properties of combustion gases are computed by using the Elsasser narrow band model, and that of particles are computed by using the Mie scattering theory. A numerical method is applied to solve the following three problems. The first one is the computation of the radiative heat transfer in an absorbing, emitting and isotropic scattering homogeneous cylindrical medium in which the radiative flux is presented. The other two are the computations of the infrared radiation of plumes from the liquid and solid rockets in which both the source and apparent radiant intensities are presented as results. The atmospheric absorption effect on the radiation of plumes is also considered by calculating the atmospheric transmittance using MODTRAN. Some of these results, compared with those available in the literature, have shown satisfactory agreement in most cases.     

多种气膜冷却形式下轴对称矢量喷管壁温计算研究

航空发动机矢量喷管的冷却结构设计是研究矢量推进技术应用的关键问题之一。针对某偏转20°轴对称矢量喷管隔热屏采用的十种气膜冷却结构,建立基于壁面传热的热平衡方程,采用牛顿-拉斐尔森迭代法得出十种冷却结构下壁面及隔热屏的温度。其中气膜冷却采用有效温比经验公式计算,燃气辐射采用封闭腔净辐射分析法计算,并把本文计算的壁温与文献结果进行对比分析。结果表明:隔热屏对喷管收敛段有很好的冷却作用,采用气膜冷却可显著降低其温度;相对于受隔热屏保护的收敛段而言,喷管扩张段的受热形势较为严峻,温度更高,其冷却有待加强。     

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。      

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。     

Radiative properties of alumina/aluminum particles and influence on radiative heat transfer in solid rocket motor

The thermal radiation of micron-sized condensed phase particles plays a dominant role during the heat transfer process in aluminized Solid Rocket Motors（SRMs）. Open research mainly focuses on the radiative properties of alumina particles while the study considering the presence of aluminum is lacking. In addition, the thermal radiation inside the SRM with consideration of the participating particles is seldom studied. In this work, the multiscale method of predicting the thermal environment insi...     

基于气液加载方式的机匣热内压试验方法

提出了一种基于气液加载方式的航空发动机机匣热内压试验方法，用于模拟机匣件在典型工况下的温度和内压联合加载考核。采用气液加压装置实现温度和压力加载介质的解耦，以高温耐压油作为温度加载介质，利用仿形电加热器实现热载荷施加，以高压稳定气源作为压力载荷源对气液压控制腔体加压，通过对加压模型的理论分析指导压力载荷的定量控制。验证表明试验方法能够有效实现温度和压力载荷的精确控制，解决了液压系统难以实现高温控制和气压系统温度控制均匀性差的问题，同时也有效避免了气压加载方式开展破坏试验时的爆破现象。基于气液加压方式的试验方法能够有效应用于机匣件的热内压考核，实现温度控制精度优于±3 K和压力加载过程定量控制。     

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。     

航空发动机整机空气系统流动与传热数值模拟

为了研究航空发动机整机空气系统内流动与传热特性,本文以涡扇发动机整机空气系统为对象,主要包括压气机盘腔、涡轮盘腔、低压轴前后腔、前后轴承腔等旋转盘腔和大量的流阻换热单元以及相邻的结构部件。所研究的是一个多腔相连,多进口,多出口,流固耦合传热的复杂问题,分析了发动机真实状况下空气系统内的流动与传热特性。采用Mixture多相流模型进行数值计算得到了该系统的速度场、压力场和温度场。结果表明：该系统内的流场是复杂的多涡流场,多个出口出现燃气倒灌;整个系统的腔压大致从前到后逐渐升高;由于主流通道燃气的入侵,导致高、低压涡轮盘的温度较高,后轴承腔内滑油的冷却作用较为明显。本文的工作使得对发动机整机空气系统的研究不再局限于一维计算,为空气系统的设计提供了理论依据。