具有复杂围护结构光学窗口的传热特性分析

针对具有复杂围护结构光学窗口传热特性,建立了高热流作用下的光学窗口及其复杂围护结构的辐射-导热传热模型,分别讨论了窗口的辐射半透明、光谱选择性、外部加热热流以及窗口尺寸对其瞬态温度响应的影响。结果表明,忽略窗口半透明特征会产生最大31.4%误差,忽略光谱选择性会产生最大40.4%误差;窗口外部气动加热热流影响显著,温度响应随热流的增大而急剧增大;窗口厚度对其传热特性的影响较大,随着厚度的增大窗口温度响应减小;而窗口半径产生的影响可忽略不计。     

运载火箭推进剂复杂流动传热问题数值模拟中的模型简化方法

在运载火箭改进优化或新型运载火箭设计过程中,会遇到各种复杂的流动与传热问题。按照真实产品和物理过程直接建立的数值计算模型过于复杂,不同尺度的结构、流动与传热、长时间的飞行过程相互耦合,出现计算时间太长(数年)、收敛困难、程序调试困难等问题。针对初始条件复杂、飞行过程复杂、边界条件复杂3类具体问题,总结了3种相应的模型简化方法,分别是工程经验法、极限参数法、低维近似法,为推进剂复杂流动与传热的数值模拟提供参考。     

热防护系统损伤容限分析

建立了含初始矩形损伤的热防护系统(Thermal protection system,TPS)气动热分析的CFD数值模型,分析结果表明损伤区域侧壁出现了很高的热流密度峰值,并且迎风面侧壁峰值高于背风面,而损伤区域底部热流密度却很低。利用分析获得的热流密度建立了含损伤和无损伤TPS的有限元传热分析模型。分析结果表明:损伤的存在导致防热瓦最高温度急剧上升,超过其材料能承受的极限温度(1 500℃),防热瓦首先失效,而损伤对机体最高温度影响较小。最后进行了TPS损伤容限分析,在防热瓦极限温度约束下,外部热流密度最大值从100kW/m2增加到140kW/m2,矩形损伤宽度最大容许值从22.7mm减小到12.6mm,而弧形损伤宽度最大容许值从34.6mm减小到25.1mm,即随着外部热流密度最大值增加,损伤宽度的最大容许值降低,并且相同外部热流密度水平下弧形损伤宽度的最大容许值大于矩形损伤。     

基于多节点热网络法的航空发动机主轴轴承温度场分析

航空发动机主轴轴承温度场分析是发动机润滑系统热分析的关键。针对传统简单节点热网络法中轴承温度节点设置过于简化、人为设置轴承生热分配比例等问题，提出改进的多节点热网络法。基于Hertz热扩散理论，将轴承三元件分别划分为接触表面与主体两个节点，并以Hertz扩散热阻连接；轴承接触区设置油膜节点，加载轴承生热载荷，节点与轴承接触面之间通过油膜热阻连接；构建多节点轴承热网络模型，获得轴承内部更细致的温度场分布。研究表明，轴承表面温度显著高于其内部主体结构温度，而接触区对应的两个接触面之间也存在明显的温度差异，使用本文建立的多节点热网络法对滑油出口温度的计算误差不超过7%。     

热障涂层在涡轮叶片应用中的热防护有效性

建立了含热障涂层的涡轮叶片简化传热模型,通过理论推导建立了热障涂层的有效性判据,并基于此进行了热防护有效性分析。理论分析与数值实验表明:由热障涂层带来的复合传热表面传热系数的变化会显著影响热障涂层的热防护效果；在发动机典型工况下,对于处于高温区的高压涡轮叶片前缘处,热障涂层引起的复合传热表面传热系数变化率最大值的范围为1.25%~10.83%以满足热防护有效性要求。在工程中应特别注意由于热障涂层的应用带来的复合传热表面传热系数的变化,否则会导致热防护失效,甚至产生反效果。      

涡轮叶片通道内部V型间断肋的传热特性研究

通过模拟仿真的方法研究了涡轮叶片通道内部V型间断肋的传热特性。主要探究了各结构参数（间断位置，分离肋长度，分离肋后置距离）对通道的传热性能影响。结果表明：相对于传统的扰流肋结构（直肋，60°斜肋，60°V型肋），V型间断肋在壁面平均相对努塞尔数，综合传热系数以及温度分布均匀性上更具优势。通过改变间断参数，能大幅提高V型间断肋的综合传热系数。在研究的参数范围内，当间断位置为2.5 mm，分离肋长度为10.0 mm，分离肋后置距离为9.6 mm时，通道具有最佳的传热性能。在雷诺数为30 000下，与带有直肋的通道相比，优化后的V型间断肋的平均努塞尔数提高了35.75%，综合传热系数上升了28.95%。     

超声速气流中复杂冷却结构的传热分析方法

针对应用于高超声速吸气式发动机中的复杂再生冷却结构,为了更好地对其进行传热性能评估,在充分借鉴液体火箭发动机传热分析方法的基础上,集成多种成熟高效的技术,建立了一种解耦的传热分析方法。该方法首先借助计算流体力学技术确定结构件工作的热环境,提取必要的参数后依据半经验关系式确定气侧的换热边界条件;然后,通过将冷却流动假设成一维流动,根据换热准则确定液侧的换热边界;最后,对冷却结构进行有限单元离散,计算传热过程,获得温度场特征。该方法将换热与导热过程解耦,降低了研究问题的复杂性,适用于复杂构型的热防护设计。通过后掠尖缘再生冷却支板的热防护试验,证实了传热分析方法的可靠性,且显示算法对本例的预测误差约在8%左右。     

稳态与瞬态冲击射流换热性能实验对比

为了对比研究稳态与瞬态单孔冲击射流的传热性能,采用热色液晶测温技术获取实验件被冲击表面的传热系数分布。实验中改变了冲击雷诺数Re和冲击孔直径比L/d,利用工业相机拍摄实验件凹表面颜色变化过程,计算并对比两种射流条件下局部努塞尔数Nu_D的分布,并与文献值进行比较。研究表明相对于稳态冲击射流,瞬态冲击射流的传热性能更佳。通过记录整个冲击射流过程,得到Nu_D随时间t变化关系。驻点附近NuD随冲击的进行逐渐减小并趋于稳定。随冲击雷诺数Re增大或冲击孔直径比L/d接近6,瞬态冲击射流的强化传热效果逐渐明显,强化效果可达15%以上。     

60m3卧式液氮贮罐预冷过程试验

为进一步了解大型卧罐预冷过程，搭建了60 m3卧式液氮贮罐预冷试验台，对小流量下贮罐预冷过程的降温和罐体应变特性开展了研究。结果表明：预冷过程罐内气体温度首先整体迅速降低，然后缓慢下降，且呈现分层现象；预冷初期液氮在罐底难以积累；靠近底部的罐壁降温过程分为三个阶段，首先与低温氮气进行自然对流传热，温度缓慢下降，液位增长到相应高度后与液氮进行沸腾换热从而温度迅速下降，最后稳定在液氮温度；对于最终液位以上的罐壁，一直维持着平稳的降温速率；贮罐轴向应变全为负值，随着预冷过程进行轴向应变随之增大，与液氮接触的局部罐壁轴向应变会迅速增加。该项试验的成功进行有力地补充了国内大型卧罐预冷试验数据的空白，为低温贮罐可靠性及寿命预测等相关研究提供数据支撑。