Thermal-structural analysis of regenerativelycooled thrust chamber wall in reusable LOX/Methane rocket engines

To predict the thermal and structural responses of the thrust chamber wall under cyclic work,a 3-D fluid-structural coupling computational methodology is developed.The thermal and mechanical loads are determined by a validated 3-D finite volume fluid-thermal coupling computational method.With the specified loads,the nonlinear thermal-structural finite element analysis is applied to obtaining the 3-D thermal and structural responses.The Chaboche nonlinear kinematic hardening model calibrated by experimental data is adopted to predict the cyclic plastic behavior of the inner wall.The methodology is further applied to the thrust chamber of LOX/Methane rocket engines.The results show that both the maximum temperature at hot run phase and the maximum circumferential residual strain of the inner wall appear at the convergent part of the chamber.Struc tural analysis for multiple work cycles reveals that the failure of the inner wall may be controlled by the low-cycle fatigue when the Chaboche model parameter γ3 =0,and the damage caused by the thermal-mechanical ratcheting of the inner wall cannot be ignored when γ3 ＞ 0.The results of sen sitivity analysis indicate that mechanical loads have a strong influence on the strains in the inner wall.     

多孔介质微燃烧器内的火焰驻定机理研究

为解释毫米尺度多孔介质燃烧器中火焰可在一个当量比范围内驻定的物理现象,搭建了二维非稳态数学物理模型,利用数值计算方法定性研究了氢气/空气预混气在部分填充不锈钢网的微通道内的火焰传播特性。通过分析浸没火焰及表面火焰的温度分布特点并量化燃烧室内的预热和散热发现：火焰驻定在多孔介质内的不同位置时对应的传热特性存在差异,是控制火焰传播速度在一定当量比范围内保持恒定的关键因素,而预热及散热的相对大小可作为衡量传热对火焰宏观影响的重要参数。对火焰的的总预热与总散热之比R越临近多孔介质入口边界变化越剧烈,导致浸没火焰易驻定在多孔介质的中上游区域;多孔介质对火焰的预热虽在多孔介质出口边界外减小,但与多孔介质散热之比Rp呈上升趋势,使得低流速工况下易形成表面火焰。同时,R随当量比的变化规律导致多孔介质下游火焰的稳定性相对较弱。     

凹槽对涡轮叶片前缘换热特性影响的实验研究

为了探究带有凹槽造型的涡轮叶片前缘结构的换热特性,采用瞬态热色液晶技术研究了凹槽对涡轮叶片前缘外表面换热系数的影响,获得了不同主流雷诺数以及湍流度下涡轮叶片原始前缘结构及带两种不同深度凹槽的前缘结构外表面的换热系数分布数据,并采用努塞尔数评估对比了三种结构下的换热特性。实验结果表明：原始前缘结构存在高换热系数区,随着湍流度的增大,高换热核心区显著增大;由于凹槽对滞止区域的流动产生了影响,带凹槽的前缘结构在不同工况下均表现出将原始结构高换热核心区分割为凹槽两侧突出边缘的高换热区和槽内低换热区的分布特征;凹槽可以显著降低前缘表面的换热强度,带浅凹槽的前缘结构在前缘表面的面平均努塞尔数相比原始前缘结构降低约7.9%~14.5%,带深凹槽的前缘结构相比原始前缘结构降低约9.1%~20.9%;与Reg=200,000相比,当Reg=150,000时,带凹槽的前缘结构相比原始结构的低换热优势更强。     

分区和有限容积法计算长尾喷管中的湍流流动

为了给长尾喷管热防护结构设计提供热边界条件，从轴对称二维雷诺平均N－S方程出发，采用分区算法和有限容积法计算了长尾喷管中的湍流流动，分析了流场的结构特性，提出了长尾喷管中燃气温度，压强和马赫数分布的某些规律以及燃气温度沿壁面的分布，计算和分析结果提出了长尾喷管热防护结构设计应注意的事项。     

吸热型碳氢燃料催化裂解热沉测定

报道了一套高温下测量吸热型碳氢燃料催化裂解热沉的稳态热导型流动热量计，仪器常数标定结果线性关系良好，符合Tian’s方程，可以正常工作；测定了500℃和600℃下吸热型碳氢燃料RL7及NNJ-150在SAPO-34分子筛催化剂上的催化裂解热沉，并与相同条件下热裂解热沉相比较，结果表明，吸热型碳氢燃料在SAPO-34分子筛催化剂上发生催化裂解能够比热裂解获得更高的热沉，燃料吸热工作温度可降低100℃。     

浮升力对双旋转轴间流动换热影响的数值模拟

利用Boussinesq假设，采用混合长度模型，对具有轴向通流的双旋转轴间的流动换热进行了数值研究，得到了轴间气体充分发展段的速度分布、温度分布和加热边的对流换热系数，其结果在实验模型参数范围内与PfitzerH的实验研究符合较好。在此基础上，进一步数值模拟研究了同向等速旋转双轴间不可压流的离心浮升力对流动换热的影响，结果表明：离心浮升力对流动换热的影响取决于浮升力与惯性力之比GrB/Rex^2。当GrB/Rex^2≥24时，浮升力的影响十分显著，不可忽略。     

40CrMnSiMoVA钢的连续冷却组织和碳化物析出的先期效应

 低合金超高强度钢的淬火组织一般为马氏体和贝氏体组成的复合组织。钢中加硅元素加剧了贝氏体转变的不完全性,使组织更复杂。40CrMnSiMoVA钢是新型航空用超高强度钢,可采用多种热处理工艺达到不同的强度级别。为配合钢的连续冷却曲线的测定,我们用透射电镜研究了不同淬火速度下转变产物的特征及变化规律,可为改进钢的性能,合理制定热处理工艺提供理论依据。     

管内振荡流体换热研究

 本文简要总结了管内振荡流体强化换热的重要成果。对分析解,数值结果和量纲分析进行了归纳并与实验数据进行了比较。同时,讨论了强化换热的机理,认为有效导热面积和温度梯度的增加是强化换热的主要原因。这种强化传热技术在宇航工程和电子工程领域有其广阔的远大前景     

激光供能换热器概念设计及性能分析

针对换热器模式激光推进的特点,设计了一种新颖的平板式换热器结构,这种结构由多层异质材料复合外壳、耐高温金属框架和层流微通道组成,具有较高的激光-热转换效率。建立了换热器出口截面二维温度场模型并进行数值分析,其结果验证了换热器结构的热稳定性。建立了换热器内部流体一维流动模型并进行数值分析,得出了激光辐照功率密度和流体入口速度对换热器内部流体温度分布的影响关系,验证了换热器结构设计满足流体通道压降小的要求。     

基于传热反问题方法的N_2O/C_2H_4预混推进剂燃烧室热流测量研究

测量液体火箭发动机的热载荷是获取燃烧室内部信息的重要方法。为了获取N_2O/C_2H_4预混推进剂燃烧室内壁的热载荷,建立了液体火箭发动机的热流计算的反问题方法,该方法基于对燃烧室壁面温度场的直接求解,通过对轴向多个位置测量温度的反演计算得到燃烧室内壁热流和温度。研究表明:应用文中建立的传热反问题方法能够较为准确地获得热流随时间及空间的分布;热电偶的位置对计算准确性有明显的影响,与理论深度偏差在0.2mm以内的随机深度偏差可导致超过4%热流反演误差;N_2O/C_2H_4预混推进剂燃烧室热流及温度沿轴向逐渐降低,表明燃烧室内的反应释热过程主要在燃烧室头部附近发生。