A novel framework for liquid propellant engine’s cooling system design by sensitivity analysis based on RSM and multi-objective optimization using PSO

One of the challenges of combustion chamber and nozzle design in a Liquid Propellant Engine (LPE) is to predict the behavior and performance of the cooling system. Therefore, while designing, the optimization of the cooling system is always of great importance. This paper presents the multi-objective optimization of the LPE’s cooling system. To this end, a novel framework has been developed, resulting from the application of the Response Surface Method (RSM) and the correlation coefficients matrix, sensitivity analysis and the The Particle Swarm Optimization (PSO). based on this method, the input variables, constraints, objective functions, and their surfaces were identified. In terms of multi-optimization algorithms, RSM and PSO are utilized to get global optimum. In conclusion, the methodology capability is to optimize the LPE’s cooling system, 6 percentage increase in total heat transfer and 7 bar decrease cooling system pressure loss, which resulted in a 1.2-seconds increase in the specific impulse of the engine.     

高背压等离子点火器及其液体燃料点火特性实验研究

航天应用的液体火箭发动机及燃烧型加热器燃烧室室压高、燃料流量大、温度低、有重复启动需求，实现安全可靠点火的难度较大。针对这些需求，研究了一种采用高背压设计的电弧等离子体点火器。实验研究了Ar，N₂气体工质在高进气压力下的伏安特性，发现N₂在宽压力范围内适用于点火。发射光谱分析表明，在高达数MPa的进气压力下，Ar，N₂等离子体射流电子密度符合局部热力学平衡判据（LTE判据），点火能量集中。N₂等离子体整体温度低于Ar，但阳极喷口附近温度高于Ar，N₂等离子体射流火焰长，卷吸沿程空气造成射流平均温度偏低，但有助于低温液体推进剂的蒸发混合和强化点火。等离子体射流引起了臭氧和氮氧化物的形成，具有促进点火和化学反应的作用。背压提高引起电源输出电压升高，提高供气压力和电流，有助于点火器在高背压环境中稳定电压。燃烧型空气加热器燃烧室的点火实验发现，采用N₂等离子体喷注面中心点火，可以在短时间内完成酒精-空气和酒精-液氧-空气的点火，最高燃烧室室压接近5MPa时，点火器仍能稳定工作，多次使用电极烧蚀不明显，在液体火箭发动机的重复可靠点火方面具有很好的应用前景。     

纵向波纹隔热屏气膜冷却特性实验

针对加力燃烧室纵向波纹隔热屏气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了隔热屏壁面的温度分布,分析了隔热屏板型、吹风比、开孔率等参数对气膜冷却效率的影响。实验中板型选取了平板和纵向波纹隔热屏,吹风比变化范围是0.5~3.0,开孔率变化范围是1.4%~3.7%。结果表明:相比于平板隔热屏的气膜冷却效率沿程逐渐增加,纵向波纹隔热屏的气膜冷却效率随波纹板的起伏而起伏且大于平板隔热屏;随着吹风比的增加气膜冷却效率逐渐加大,在吹风比为3.0时达到最大值;气膜冷却效率在波峰处低,波谷处高,整体上随波纹板的起伏而波动,吹风比越小,气膜冷却效率随波纹板的起伏变化越明显;高吹风比(吹风比为2.0~3.0)下,气膜冷却效率沿程变化与增幅较为缓慢;整体上,随着开孔率的增加气膜冷却效率逐渐加大,小开孔率(开孔率为1.4%、2.7%)下的气膜冷却效率相差不大,但在次流背风侧,开孔率小的气膜冷却效率要小于开孔率大的气膜冷却效率。      

针栓式推力室冷却特性试验研究

针栓式发动机具有推力调节简单、声学燃烧稳定性好和成本低廉等一系列优点,但目前对针栓式推力室的冷却特性掌握还不够深入,研制过程中曾多次出现因推力室冷却组织不好而烧蚀的问题。采用针栓式推力室试验件,对身部的冷却特性进行了深入研究,结果表明:推力室圆柱段前端的温度较低,无需采用专门的冷却措施;末端内侧气壁温度会达到约1650℃,局部存在明显的烧蚀现象,必须采取有效的热防护措施;下游冷却液膜量的变化对圆柱段的冷却特性影响较小。     

逆向进气复合角发散冷却孔流量系数试验

针对回流燃烧室外环壁面冷气与燃气流动方向相反的情况,试验研究了发散孔进气方向与环腔通道气流流动方向相反的条件下,复合角发散冷却孔流量系数随发散孔倾角(25°~55°)、偏角(90°~180°)及压降系数等参数的变化规律。研究结果表明:复合角发散孔的流量系数随倾角的增大而增大,随偏角的增大而减小；随着压降系数的增大,复合角发散孔的流量系数先呈近似线性增长,当压降系数大于0.95后,呈非线性增长且增长速度减缓。      

改善横向波纹隔热屏综合冷却效率的发散冷却结构优化

为改善横向波纹隔热屏综合冷却效果，采用三维数值模拟和基于支持向量机的代理优化模型，在给定的单位面积冷却空气流量下对发散冷却结构参数进行了优化研究。设计变量选取为气膜孔直径、气膜孔排布的展向间距和流向间距，以面积平均综合冷却效率作为目标函数，通过遗传算法搜索获得了设计变量区间内的优化设计点。在隔热屏单位表面积冷却空气流量G_f = 2.647 kg/（m²?s）的工况下，优化后的d、P和S分别为0.8、4和5 mm。研究结果表明，优化的隔热屏冷却结构应具有较小的气膜孔直径d和展向间距P，以及适中的流向间距S。相对于参考结构，优化后的发散冷却结构能够改善沿流向的气膜覆盖，缩减发散冷却起始段局部高温段，起到增强隔热屏发散冷却综合冷却效率的作用。     

基于电阻法的工艺液位传感器测量系统及其校准装置的研制

介绍了一种基于电阻法的工艺液位传感器测量系统的设计与实现，该传感器测量系统包括利用液位传感器、点式液位传感器、耗尽关机液位传感器与剩余液位传感器及对应的变送器。设计了相应的半自动校准系统对传感器的精度进行标定，分析了测量结果的不确定度。经过测试，所有传感器各项指标均满足设计要求。该传感器的研制解决了现有容积计量及液压试验系统不能对贮箱各不同部位进行容积和高度监测的问题。     

基于碳纳米管薄膜的复合材料层间增韧

通过浮动催化化学气相沉积法制备连续碳纳米管薄膜，并将其原位沉积到单向碳纤维织物表面，手工铺层后借助真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）工艺制备碳纳米管-碳纤维/环氧树脂复合材料层压板，研究不同面密度的碳纳米管薄膜对层压板Ⅱ型层间断裂韧性的影响。结果表明，随着碳纳米管薄膜面密度的增加，层压板Ⅱ型层间断裂韧性先逐渐提高，当碳纳米管薄膜面密度为9.64 g/m²时，层压板Ⅱ型层间断裂韧性最佳，与原始层压板相比提高了94%。碳纳米管通过桥接树脂裂纹、从树脂中拔出等方式提高层间断裂韧性。当碳纳米管面密度超过临界值时，会引起树脂浸润困难，导致增韧效果降低。     

沸腾换热在水卡式大热流传感器研制中的应用

为了实现MW级热流环境的长时间稳态测量,研制了一种新型结构的水卡式大热流传感器。该传感器采用U型水冷通道结构,基于沸腾换热理论进行换热设计,设计量程5~15 MW/m~2。在高温超声速燃气流试验台上进行了热流测试试验,实际测试量程3~25 MW/m~2。沸腾换热理论的应用可以在较小的水流速下实现MW级热防护,大大降低了设计难度。新型结构传感器相对传统的中心冲击结构换热效率更高,可实现的量程范围更大。     

凝胶推进剂模拟液撞击雾化特性研究

为了寻求凝胶推进剂雾化机理、提高其雾化效果,开展幂律流体双股圆柱射流撞击的理论和实验研究。首先推导了幂律型流体射流撞击形成液膜的理论模型,在其中引入粘性力和能量损失。进而通过设计凝胶模拟液射流撞击实验,使用高速摄像机拍摄图像的方法进行了相关的实验研究,以验证理论的正确性。在此基础上,对撞击角度、射流速度分布及液体部分物性参数对液膜形状、厚度及速度分布的影响进行了分析,得到了相关参数的影响规律。研究结果表明,射流撞击角、速度型、液体表面张力系数、流变特性等均对液膜特性有明显影响,且流体本身的物理性质对撞击形成的液膜的影响更甚。