液氧/甲烷发动机推力室肋强化换热技术数值研究

为了提高液氧/甲烷发动机再生冷却通道中冷却剂的吸热效率,同时提高该区域的热防护能力,对带有4种不同肋结构的推力室进行了三维稳态耦合传热计算.分析结果表明,在推力室燃气侧壁面设置纵向肋之后,通过引入等效平均热流密度能够描述带肋发动机推力室壁面的实际换热特征.设置人工粗糙度能够使壁面温度降低85.4 K,但会使压降增大0....     

液氧/甲烷发动机变截面冷却通道传热数值研究

为提高液体火箭发动机推力室再生冷却通道的冷却效率,对液氧/甲烷发动机推力室变截面冷却通道的耦合传热进行数值模拟,探究了冷却通道的高宽比对跨临界甲烷的湍流流动和对流传热的影响。燃气-冷却通道-冷却剂的三维耦合计算采用一种改进的迭代耦合方法。研究结果表明:在冷却通道横截面积不变时,增大冷却通道高宽比可以降低喉部燃气侧壁面最高温度。冷却通道的高宽比越大,冷却剂压力损失越大。但过大的高宽比会导致压力损失急剧增大,且进一步降低喉部壁面最高温度的效果不明显。燃气侧壁面温度在变截面冷却通道的突扩突缩处出现局部下降,且下降幅度会随着高宽比的减小而增加。大高宽比冷却通道中,喉部侧壁面附近发生传热恶化的范围有限,主要在肋侧壁面附近的下半部分。研究结果为推力室变截面再生冷却通道的设计提供了参考。     

肋参数对液氧甲烷发动机推力室强化换热的影响

为深入研究带肋推力室强化传热的机理，对带肋液氧/甲烷推力室的燃烧与再生冷却进行了流动与传热耦合分析，并针对不同肋高和肋数目进行了参数化分析。结果表明:引入等效平均热流密度的概念可以准确描述带肋推力室中的实际传热过程;平均热流密度总是随着肋数目的增加而减小，当肋高恒定时，由于总换热面积增大，等效平均热流密度会随着肋数目的增加而增大;而当总表面积恒定时，等效平均热流密度会随肋数目的增加而减小。此外，盲目地增大总换热面积并不一定能改善传热强化，甚至会在某些情况下恶化传热，因此在设计过程中也应该结合其他肋参数进行综合考虑。     

人为粗糙度强化传热机理数值分析

在统观模型框架内,采用k-ε模型对带人为粗糙度冷却通道内的流动和传热进行了数值模拟,得到了速度场、温度场和湍流脉动物理量分布,并比较了人为粗糙度冷却通道与光滑通道的数值模拟结果.基于数值模拟所提供的详细的流场信息,研究了人为粗糙度对流动和传热的影响,揭示了人为粗糙度强化换热的机理.本研究可为改进液体火箭发动机推力室人为粗糙度冷却通道的设计提供参考.     

人工粗糙度对矩形弯曲管道流动与传热数值模拟

人工粗糙度作为一种局部强化换热技术,对提高再生冷却效率有重要意义。为了研究人工粗糙度对矩形冷却通道三维流动与传热特性的影响,以及在弯曲段与二次流的耦合作用,对有人工粗糙度的三维弯曲矩形通道进行了建模,并应用Fluent软件进行了数值仿真计算,采用了能够有效准确地求解受强曲率影响的管道内及近壁区域湍流流动的RNG k-ε湍流模型。结果表明:在冷却通道底面添加人工粗糙度会使底部流动受到干扰进而导致流速中心上移,因此在弯曲段,有人工粗糙度的冷却通道中所产生迪恩涡的范围相对较小且距离底面较远,而随着二次流的产生,流速中心会向底部移动,使得该处的换热得到改善,整体对流传热系数上升;当入口质量流量分别为0.1 kg/s,0.2 kg/s,0.3 kg/s时,有人工粗糙度工况下弯曲段加热面平均对流传热系数分别增加了11.86%,13.11%,16.14%,表明添加人工粗糙度可以显著提高换热,且随着入口质量流量的增加其对换热的提高作用也变得越来越明显。     

先进的液体火箭发动机转子输送装置的压头特性

转子输送装置是一个带径向流道的叶轮。通过它,组元在叶轮外缘被输送到燃气发生器喷嘴。燃气穿过反冲的涡轮喷嘴引起叶轮旋转。在旋转运动的惯性力场内,通过一个小直径径向通道的流动具有复杂的特性,这是很明显的。叶轮通道能实现的压力值要靠实验来确定。这里建议一种方法,用一个小直径的喷嘴,由实验来确定径向旋转闭合流道的真实压力值。这个方法建立在测量流道和喷口实际流量的基础上。获得的实验结果表明:R。数0.3～0.4对应着外缘速度300～250m/s,直径6mm,喷嘴口1mm的径向流道压头系数限制在0.4～0.45范围内。但压力恢复系数为0.8～0.85。进行的研究证实了得到的结论:径向通道的叶轮用作先进的转子式液体火箭发动机输送组件是可能的。     

涡轮叶片U型冷却通道旋转流动特性模拟

为了研究发动机涡轮叶片U型通道在旋转条件下的流动特性,采用 Fluent 中双精度速度压力耦合求解器的简单算法,湍流模型采用k-ω SST模型,压力动量项和密度项用二阶迎风差分格式数值计算,能量项用快速格式计算,建立了旋转条件下涡轮叶片U型通道内的数值模拟方法,分析对比了静止条件下和旋转条件下U型通道内的流动特性。结果...     

诱导轮超同步旋转空化传播机理

为了揭示超同步旋转空化的传播机理,对二维平板叶栅内部非定常空化流动进行数值模拟研究,叶栅的几何参数和模拟工况均来自真实诱导轮试验结果。结果表明：仿真预测的叶栅空化断裂点与试验结果接近,随空化数下降空化区的演变规律与试验结果一致。在一定的空化数范围出现传播频率比为1.1～1.4的旋转空化现象,对流场细节的深入分析发现空化区与来流冲角的相互作用是空化区波动沿周向超同步传播的机理。空化区与叶片前缘的冲角是呈正相关的,同时空化区增大会在尾缘诱发顺时针涡扰动,空化区减小会在尾缘诱发逆时针涡扰动,当扰动达到叶片喉部位置时,会对相邻叶片产生影响,空化区增加会导致相邻叶片冲角减小,相应空化区也减小,空化区减小会导致相邻叶片前缘冲角增大,相应空化区增大,如此循环往复,形成空化区波动沿周向的超同步传播。     

某型液体火箭发动机部分进气涡轮盘振动分析及改型设计

针对某液体火箭发动机部分进气自由叶片涡轮盘多次试车后在叶片型线根部和背弧出现疲劳裂纹的问题,采用三维弹塑性有限元法,考虑部分进气产生的Kick效应,计算了涡轮盘的静强度,得到了部分进气作用下叶片的静弯应力;考虑多场环境引起的预应力影响,计算了涡轮盘的模态,获得了涡轮盘固有频率和主振型;采用全环模型,计算了部分进气作用下涡轮盘的动态响应和动应力。在裂纹原因分析的基础上,对涡轮盘进行改型,在叶片顶部增加了围带,并对带围带涡轮盘进行了计算分析。结果表明：加围带后,涡轮盘叶片气流静应力下降了50■;气流力作用下的叶片动弯应力下降了65■;叶片之间以及叶片和轮盘之间耦合作用明显增强,涡轮盘固有振动模式发生转变,避免了叶片在共振频率附近发生的强迫振动;改型后显著降低了涡轮盘静应力及动弯应力,降低了出现裂纹的风险。     

基于导叶端弯的小展弦比燃气涡轮优化设计

以某型火箭发动机用亚声速小展弦比燃气涡轮为研究对象,为进一步改善涡轮内部流场,提高了涡轮效率,通过调整导叶子午端壁型线曲率、采用导叶端弯的设计方法对涡轮进行了优化设计,其作用在于减小叶片通道二次流损失,并将导叶出口压力分布进行调整,从而减小叶顶泄漏损失。基于六面体网格,采用CFX流场分析软件对优化前后结构进行了数值计算,结果表明:优化后单通道无叶顶间隙模型涡轮效率提高1.4%;采用正弯设计后,轮毂和叶顶处绝对和相对气流角显著增大,叶片中部气流角有所减小,整体分布更加均匀,消除了原型结构动叶轮毂区的流动分离;优化后全通道模型围带间隙前后压差明显降低,泄漏量从7%降低至4.75%,涡轮效率提高5.9%。     

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。     

火箭发动机部分进气涡轮设计与流动分析

根据某型液体火箭发动机总体性能及结构要求,采用一维方法设计了部分进气、圆锥形喷嘴、单级超声速冲击式涡轮。基于求解雷诺平均的Navier-Stokes方程组,对涡轮内部流场进行全三维粘性定常仿真计算及分析,并研究了不同转子叶栅通道面积变化方式对涡轮性能的影响。结果表明:部分进气涡轮内部流动流线不规则、存在较多漩涡流动、转子叶栅激波复杂、叶片通道内分离较为严重;喷嘴通道和转子叶栅通道内总压损失均在20%以上,其中转子叶栅通道损失更大;不同转子叶栅通道面积的变化方式对涡轮总体性能影响基本不大,但收缩-扩张型通道可降低流速,缓解气流分离,对降低叶片温差应力有一定帮助。     

空气预冷发动机及微小通道流动传热研究综述

首先针对发动机空气预冷系统的特点,将现有的预冷机制分为四种类型,包括燃料预冷、质量喷注预压缩冷却、燃料预冷和质量喷注预压缩冷却组合预冷以及其他流体预冷,并分别介绍了每种预冷机制的代表性发动机循环以及技术特点。调研发现,微小通道结构的预冷器具有很高的散热能力和紧凑度,优势显著。英国Skylon空天飞机的预冷却组合循环发动机（SABRE）其微通道结构预冷器具有极高换热能力。对SABRE的预冷器及相关研究进行详细分析,强调微小通道强化换热对提高发动机性能的重要作用。通过对微小通道中单相气态流动换热研究的调研发现,微尺度流动传热机理仍存在诸多分歧,理论发展不完善,需要深入开展微小通道强化传热研究,尤其对于高速高内外温差条件下微小尺度复杂结构空间内流动传热机理需要深入探索。     

镁合金带连接分离装置解锁过程与预估模型

镁合金带连接分离装置因结构简单;解锁可靠而在航天发射领域得到广泛应用。为研究该装置在燃气作用下的解锁过程和解锁时间,首先利用数值计算方法对燃气流动和镁合金带内部传热过程进行数值模拟,获得镁合金带承受的热、力载荷条件;然后结合镁合金材料特性,对镁合金带断裂因素进行深入分析,表明热、力共同作用是镁合金带断裂和连接分离装置解锁的关键因素;最后结合模拟实验,对这一结论进行验证。在此基础上,结合一维气体流动特性和一维热传导模型,建立镁合金带连接分离装置解锁时间的预估模型,为工程设计提供参考。     

超音速复速级涡轮的气动设计改进

采用数值模拟方法对某液体火箭发动机超音速复速级涡轮进行了流场分析。根据分析结果对两列动叶的叶型进行了改进设计：第一列动叶栅的改进采用自由旋流法,通过等通道的叶栅流道设计,减弱了激波对附面层的干扰,有效抑制了流道内的流动分离;第二列动叶栅的改进采用参数化叶片造型法,型线用具有局部修改能力和保凸性较好的Bezier曲线表示,通过减小入口攻角降低了分离损失。数值模拟结果表明,改进后的复速级涡轮内部流动特性改善显著,分离损失明显减小,效率提高了5％以上。     

一种外并联式TBCC变几何进气道的设计

对一种Ma=0～7的二元外并联式TBCC变几何进气道设计开展了研究,给出了进气道总体设计思路、气动型面设计过程、变几何调节规律以及流场控制方案。初步数值仿真结果表明,该进气道满足预期的流量捕获需求,高速通道Ma=4和Ma=7时的喉道总压恢复系数分别为0.62和0.45,低速通道Ma=2.3和Ma=4时的喉道总压恢复系数分别为0.97和0.73;该变几何进气道在模态转换过程可以正常工作,没有明显的流动分离出现;由于侧板溢流,三维计算结果下的总压恢复系数与流量系数略低于二维计算结果。对三维外并联TBCC变几何进气道开展了涡轮通道扩压段设计及数值仿真研究,给出了三维模型的气动特性及涡轮通道的反压特性。     

高深宽比冷却通道的流动与传热数值分析

本文描述了一个火箭发动机高深宽比冷却通道三维流动和传热分析程序。该程序是建立在抛物线化的纳维尔一斯托克斯方程基础之上的,将其流动和传热计算结果与文献中找到的测量数据进行比较,表明该程序是有效的。计算是针对实际压力为100巴的发动机冷却通道内的流动进行的。计算出的冷却剂温升和压降值和实验结果符合良好。参数分析给出了湍流强度、壁面粗糙度、传热边界条件和近壁流动模型的影响。可以看出,本程序能够成功用于火箭发动机冷却通道内三维的流动和传热分析,它高效地利用 CPU 时间,而且用它来帮助设计现在或是将来的火箭发动机燃烧室将是很方便的。     

诱导轮旋转汽蚀数值模拟

旋转汽蚀是诱导轮汽蚀不稳定现象中常见的一种,可导致叶片承受循环载荷,引发轴振动,对涡轮泵工作的可靠性造成威胁.本文对一个3叶片诱导轮进行了考虑汽蚀的定常和非定常流动计算,在特定的汽蚀数范围内,在非定常流动计算结果中观察到了旋转汽蚀现象.然后,对一典型计算结果,分析了旋转汽蚀发生时叶片气穴尺寸以及攻角随时间的变化情况.结果表明,叶片上的气穴尺寸与下游相邻叶片的攻角的变化趋势大致相同,但是在气穴尺寸的最大值点附近的变化趋势相反.此外,在叶片气穴尺寸的一个变化周期内,气穴尺寸的变化率与其攻角的变化趋势不完全吻合.     

不同尺度下相变材料熔化过程自然对流影响分析

为了解自然对流对固液相变传热的影响,采用有限容积法对重力条件下矩形腔内相变材料熔化过程进行了数值模拟。通过改变矩形腔的尺寸,分析了不同尺度对高温壁面平均Nu数(Nu数)及相变材料温度场、速度场的影响。结果表明:随着尺度增加,自然对流作用增强,Nu数逐步增大,液相区流动从稳定向周期振荡过渡,且流线越来越不规则。     

再生冷却推力室的多学科设计优化

以某型火箭发动机的再生冷却推力室为研究对象,建立了关于推力室的几何型面、质量、流动、传热和结构应力的仿真模型,在iSIGHT软件平台上利用基于响应面模型的协同优化算法对其进行了分布并行的多学科设计优化(MDO),优化目标为权衡推力室质量、出口比冲和冷却通道压降的综合改善。改进的计算结果表明了MDO在推力室设计中的可行性和实用性。