高超声速飞行器主动冷却系统优化设计

以碳氢燃料为冷却剂的主动冷却系统是进行高超声速飞行器热防护最有效的方法之一。在满足工作要求的情况下,应尽量减小主动冷却系统的质量,实现飞行器的轻质化目标。利用MATLAB@2007软件对高超声速飞行器燃烧室的主动冷却系统进行了优化设计,计算了冷却通道在满足各项热负荷条件下,系统的最小质量以及此时所对应的冷却通道各项尺寸。选择了Inconel X-750、Inconel 625和Hastelloy X 这3种不同的镍基合金分别当做冷却通道固壁材料,并且在主动冷却系统的近燃烧侧引入热障涂层,以分析不同材料和有无热障涂层对系统轻质化的影响,为高超声速飞行器主动冷却系统的材料选择和优化设计提供了理论依据。     

涡轮叶片尾缘内冷通道旋流冷却特性

针对简化的叶片尾缘,设计了3种旋流冷却结构,即冷气分别从旋流腔中部射流孔、旋流腔异侧射流孔、旋流腔同侧射流孔进出旋流腔,并与常规凸台扰流柱冷却结构进行了对比数值研究,分析其强化换热机理和效果.结果表明:旋流腔的结构和冷气的进流布置对旋流冷却性能的影响很大,冷气从旋流腔某侧射流孔进出的旋流冷却结构不仅在流向截面产生涡旋,在展向截面也会产生涡旋,从而有效强化对流换热;相比凸台扰流柱冷却结构,旋流冷却结构能够增强换热,平均努塞尔数增大6.8%~22.9%,但流动阻力也随之增加;冷气从旋流腔异侧射流孔进出的冷却结构强化换热能力较高;而冷气从旋流腔同侧射流孔进出的冷却结构流动换热综合系数比凸台扰流柱提高4.2%,综合性能相对较优.      

涡流冷却推力室流场特征与性能仿真

针对2000N气氢/气氧涡流冷却推力室,采用三维全尺寸计算模型开展了仿真研究,得到了流场速度分布特点,验证了涡流冷却推力室内具有双向涡旋结构,内外涡流分界面约占涡流冷却推力室圆柱段半径的86%,燃烧区域约占涡流冷却推力室圆柱段半径的70%.分析表明:外层涡流主要受来流速度与涡流冷却推力室几何参数影响,内层涡流在黏性、燃烧等作用下室压、密度稳定.侧壁温度平均为388K,比冲效率达92%以上,仿真结果与试验对比一致.      

发散冷却与冲击/发散冷却的冷却效率对比

为了得到最佳的冷却结构,在相同冷却气量下对发散孔单层壁与冲击/发散孔双层壁冷却结构的冷却效率进行了试验研究.试验保证相同的发散孔排布规律、热侧与冷侧进气温度、冷却气量、热气量以及热冷侧之间的空气压降,使用红外热像仪对发散孔壁的热侧壁面温度进行测量以得到冷却效率,并对两种结构的冷却效率进行对比分析.试验结果表明:在相同冷却开孔面积、相同冷热气条件下,冲击/发散孔双层壁的冷却效率要比发散孔单层壁大约高30%,这归因于冲击/发散冷却方式存在更高的换热强化能力.      

具有相反横向射流角的全覆盖气膜孔冷却特性

通过数值计算的方法对全覆盖气膜冷却结构的流场特性、壁面表面传热系数、绝热壁面气膜冷却效率以及考虑固体导热影响下的综合冷却效率进行了对比研究.结果显示:相反横向射流角产生的反肾形涡对使冷气侧向扩散能力更强;虽然表面传热系数升高,但是由于较高的绝热壁面气膜冷却效率降低了传入固体壁面的热量,提升综合冷却效率.吹风比为1.0时,45°相反横向射流角斜孔有最高的综合冷却效率.当吹风比为1.5和2.0时,30°相反横向射流角斜孔有最高综合冷却效率.与相同横向射流角斜孔作对比,15°相反横向射流角斜孔综合冷却效率不及15°相同横向射流角斜孔,45°,60°相反横向射流角斜孔综合冷却效率在不同流向长度上与相同横向射流角斜孔综合冷却效率相差不大,30°相反横向射流角斜孔综合冷却效率高于相同横向射流角斜孔.      

导叶冷却对涡轮级性能影响的数值研究

针对某高压燃气三维扭转涡轮导叶全叶身冷气射流进行了数值模拟,详细分析了在设计转速下改变冷气流量对叶片气动性能、冷却效率和叶栅通道损失的影响;对比分析了在冷气流量相同的条件下,改变转速对涡轮级性能影响.结果表明:不同冷气流量对导叶冷却孔附近区域的静压影响较为明显,而对下游转子的型面静压影响不大;导叶冷气射流对叶栅通道内主流气流角影响较小;冷气流量占主流流量由2.50%增加至6.25%,叶片绝热壁温降幅达11.19%,导叶叶栅通道总压损失和能量损失分别增加了12.95%和12.01%,而涡轮级功率和级效率分别降低了2.39%和1.51%.      

气膜孔附近粒子沉积特性的数值研究

研究了气膜孔附近的粒子运动与沉积特性,重点研究了粒子直径和气膜出流吹风比对粒子运动与沉积特性的影响. 基于EI-Batsh粒子沉积模型,考虑了粒子的黏附/反弹和离去机制,编制了相应的粒子沉积计算模块集成在Fluent软件中,并利用相关实验数据对该计算方法进行了验证.结果表明:1,2μm直径粒子沉积率随吹风比增大而增大;3,4μm直径粒子沉积率则随吹风比增大而减小.1μm直径粒子易受气膜出流卵形涡对的卷吸作用而沉积于相邻气膜孔之间区域,当吹风比为2时粒子沉积率比吹风比为0时高约5倍;5μm直径粒子运动轨迹受气膜出流影响较小.总体沉积率随吹风比升高而不断降低,吹风比为2时总体沉积率比吹风比为0时减小1.7%.      

Effect of cooling strategies on performance and mechanism of helical milling of CFRP/Ti-6Al-4V stacks

Hole-making for Carbon Fiber Reinforced Plastics(CFRP)/Ti-6Al-4V stacks is crucial for the assembling strength of aircraft structure parts. This work carried out experimental work for helical milling(HM) of the stacks with sustainable cooling/lubrication(dry, MQL and cryogenic)conditions. Cutting forces and temperatures at the CFRP layer, Ti-6Al-4V layer and the interface of stacks were obtained by a developed measuring system. The temperatures in CFRP machining at cryogenic condition varied fro...     

一体化加力燃烧室冷态流动特性数值研究

将混合扩压器与火焰稳定器融为一体设计,并引入外涵冷流对高温结构件进行强化冷却,采用数值仿真方法,对比分析入口涵道比（0.278~0.583）和总温比（0.418~0.464）对一体化加力燃烧室中流动特征及其冷却性能的影响。结果表明:在研究参数范围内,大部分外涵冷流冷却隔热屏或直接进入加力燃烧室参与混合,仅有少部分进入火焰稳定器和联焰器,对其下游回流区没有影响,便于组织燃烧与稳定并传播火焰;外涵气流的流量分配对涵道比和温比变化不敏感;涵道比增加,特征面的流量系数下降约6.2%,总压恢复系数下降约3.2%,但是沿程热混合效率增加约6.1%;火焰稳定器的冷却效率随涵道比增加而提升约37.2%,但是其表面峰值温度降低不明显;温比对于该结构的流动特征与冷却特性影响都很小。      

4032铝合金圆锭DC半连铸过程中冷却速率对共晶硅变质的影响

采用数值模拟的方法,研究DC(direct chill,DC)半连铸?120 mm、?300 mm、?500 mm的4032铝合金圆锭在横截面上的冷却速率分布,并进一步研究冷却速率对共晶硅Sr变质效果的影响。研究表明,从铸锭表面至中心冷却速率整体呈下降趋势。随着铸锭尺寸的增大,铸锭的液穴变深,液相线温度与固相线温度的等温线之间的距离变大,铸锭内部的冷却速率显著降低。Sr对共晶硅的变质效果受到冷却速率的影响,冷却速率高于1.8 K/s时,Sr变质可以获得较好的变质效果。随着冷却速率的降低,在Sr含量相同的条件下,变质效果变差。工业生产条件下,?500 mm圆锭内部的冷却速率降低至1 K/s以下,此时含量为0.033%~0.036%的Sr已不能使共晶硅有效变质。DC半连铸工艺参数中,铸造速度对?500 mm铸锭的冷却速率分布的影响程度较大,但也仅影响距离铸锭表面小于R/2以内的冷却速率分布,无法提高铸锭内部的冷却速率。