涡轮发动机高温隔热涂层内的传热研究

高温环境中的金属部件, 通常采用表面涂层技术以降低金属材料的温度和热力梯度。氧化锆、陶瓷等涂层材料对热辐射是半透明的, 因此, 高温下涡轮发动机的热分析需要考虑涂层内辐射换热的影响。本文考虑了各种界面辐射特性: 不透明界面和半透明界面, 镜反射和漫反射。采用光线踪迹 /节点分析法计算了吸收、各向同性散射性介质内的辐射传递系数。结合控制容积法数值模拟了涡轮叶片和燃烧室衬垫涂层内的辐射与导热瞬态耦合换热。      

某型飞机短舱辐射换热计算

针对某飞机地面慢车工况,进行了短舱内复合换热数值计算研究,分别运用球谐函数法、离散坐标法和蒙特卡洛法计算辐射换热.结果显示:不同计算方法所得结果总体上趋于一致,热辐射与自然对流耦合作用明显.与单纯自然对流的计算结果相比,舱内温度显著升高,各区域温度值上升7%~30%.考虑空气介质对不同波段热辐射的选择性吸收后,短舱内各计算点温度进一步上升.综合分析表明:地面条件下飞机短舱换热分析过程中热辐射的影响不可忽略.      

管道惯性测量系统散热仿真分析

基于FLUENT商用软件建立了在60℃高温油内使用的管道惯性测量系统的传热数值模型,模拟了系统在自然对流、不同风冷强制对流和不同热辐射系数下散热的温度分布,分析了风扇布置、空气流量及结构件表面热辐射系数对系统温度分布的影响.通过仿真分析取得了系统有效的散热配置,试验验证结果与仿真计算情况基本吻合,两者相差1.1％.     

变物性与热辐射对发汗冷却过程的影响规律研究

采用两层k-ε湍流模型对高温条件下有发汗冷却时的矩形槽道内湍流流动和换热进行了数值模拟。计算结果表明:随着冷却气体流量的增加,在发汗冷却壁面附近主流气体的温度梯度大大减小,壁面温度、局部对流换热系数都迅速下降;变物性条件下同时考虑热辐射时数值计算得到的平均St相对值St/S_t0随修正注入率F/St0的变化比已知的常物性条件下的值小;随着高温气体温度的上升,变物性和热辐射对与高温流体接触的表面温度有较大影响,热辐射对壁面温度的影响比变物性更大,而对流换热系数所受的影响不大;当主流为高温气体(如:2500K)、而壁面温度较低时(如:800K)热辐射的影响不大,发汗冷却效果仍然很明显。      

客机APU舱温度场的数值计算

为研究大型客机APU舱传热过程和进行结构热分析,采用数值方法计算了APU舱温度场。采用商业CFD软件Fluent,选用Realizable k-ε湍流模型和S2S热辐射模型建立了APU舱内流动和传热数值计算模型,得到了流场、温度场和热流信息。APU舱中主要传热过程是辐射传热;APU防火罩和排气管隔热罩起到了热辐射遮热罩的作用;防火罩内的APU冷却空气对于降低防火罩温度有重要作用;排气管内的引射冷却空气有效降低了壁面温度。     

角度-空间间断谱元法的遮蔽条件下二维热辐射特性研究

航空发动机燃烧室温度分布对燃烧室结构设计、燃烧过程检测均具有重要意义。燃烧室结构封闭且复杂、存在大面积的辐射遮挡,这给计算其内部由热辐射引起的温度变化分析带来了一定困难。本文提出采用角度-空间间断谱元法求解遮蔽条件下封闭腔内热辐射问题。在求解过程中,通过黎曼迎风方案对空间单元边界上的辐射信息进行分割,实现单元间信息的有效传递。通过与文献结果进行对比发现：角度上采用间断谱元法可有效抑制辐射遮蔽带来的数值振荡,相同角度离散单元数下,可以获得比离散坐标法更光滑的计算结果。通过分析网格数和基函数阶数对数值结果的影响,发现该方法具有hp收敛特性。此外,控制角度计算节点相同,在与离散坐标法相当的计算精度下,消耗更少的计算时间。     

具有陶瓷涂层的火焰筒壁温和热流计算

对具有陶瓷隔热涂层的气膜冷却式火焰筒壁面温度和热流提出~种计算方法。在分别建立陶瓷涂层和金属壁面热平衡方程的基础上,给出两者之间的导热耦合关系,使计算模型更加符合实际传热过程。计算过程中始终考虑到金属壁面的轴向导热。通过算例研究了陶瓷涂层对气膜冷却式火焰筒壁面温度和热流的影响。有涂层时壁面温度低于无涂层时壁面温度,但它们的变化规律相似。燃气温度越高陶瓷涂层的隔热效果越好。     

金属涂层的日历寿命计算公式和试验方法

通过涂层腐蚀损伤试验研究,发现涂层有与金属腐蚀温度-时间(T-H)曲线一致的T-H曲线,而且还有相同的使用环境谱。由于金属日历寿命计算公式正是根据T-H曲线和使用环境谱推导出来的,因此涂层的日历寿命计算公式与金属日历寿命计算公式相同。通过试验研究,还发现金属涂层对试验温度敏感且有规律,由此获得涂层日历寿命的有效试验方法是提高试验温度。为验证上述结论,进行了铝涂层日历寿命的理论计算和试验实例对比研究。     

复杂边界条件下的多层多孔壁温度场的计算模型

经过推导给出了具有孔内和内外表面对流换热及外表面热辐射复杂边界条件下的多层多孔壁温度场的计算模型,并以具有陶瓷隔热涂层的全气膜覆盖气冷叶片为例进行了温度场计算。计算结果表明：陶瓷涂层具有明显的隔热效果,并可明显地减小冷却空气用量;燃气温度对壁温影响较大;考虑热辐射将更加符合实际物理过程;对于涡轮叶片若不考虑热辐射将低估壁温 1. ５％ ～3. ５％ 。该模型可用于多层多孔壁冷却结构形式的发动机高温部件的优化设计。     

热沉式超燃冲压发动机非稳态热-结构分析

为了评估热沉式超燃冲压发动机非稳态热-结构特性,初步发展了数值模拟方法。将AHL3D计算的超燃发动机三维内流场结果作为输入条件,然后通过参考焓法得到热环境数据,最后将发动机流道的热环境数据和压载数据输入到热/力响应有限元计算程序。通过对地面试验发动机的非稳态热分析计算结果表明,数值模拟方法适用性较好;沿轨道飞行发动机在发动机点火前机体最大温度可达825 K,喷涂绝热涂层能够降低机体温度;发动机机体的应力和位移随着时间的增加而增大。     

飞机发动机冷气道与隔热层的耦合传热分析

数值研究了某飞机发动机外侧冷气道与隔热层的耦合传热过程。采用低雷诺数k-ε模型与SIMPLEC算法计算通道内可压缩变物性气流的湍流对流换热,采用蒙特卡罗法求解通道壁面间的辐射换热。通道内气流湍流对流换热、壁面间辐射换热与隔热层内导热耦合求解。通过模拟计算,分析了通道与隔热层的耦合传热机制,考察了相关参数的影响。结果表明,在所考虑的通道结构与空气流条件下,冷气道外环壁面的温度高于气流温度,气流对内外环壁面均起冷却作用;在隔热层参数不变条件下,壁面间的辐射换热与气流的对流冷却是该传热过程的控制机制,增大冷气流量、降低壁面发射率均可显著降低隔热层的外壁面温度。     

热防护系统高温纤维隔热毡传热及有效热导率分析

针对重复使用运载器热防护系统纤维隔热毡内部导热和辐射的耦合换热问题进行了分析,应用有限差分法建立了纤维隔热毡的数值分析模型.通过数值求解传热方程,计算了稳态的有效热导率.计算结果表明辐射和气体传导是纤维隔热毡内的主要传热方式,辐射作用随压力和试样密度的增加而降低,在试样温度高的一侧辐射是主要的传热方式,而在温度低的一侧气体传导为主要的传热方式;试样的有效热导率随纤维的平均直径、压力和温差的增加而增加,随试样密度的增加而降低.本文的计算结果与文献中的实验结果吻合较好,可以为纤维隔热毡及热防护系统的优化设计提供理论参考.     

A method for calculating the laser rocket engine thermal state based on the optical discharge with numerous plasma formations

A method is presented for calculating the thermal state of the laser rocket engine (LRE) structure with numerous plasma formations in the absorption chamber. The results of evaluating radiant heat fluxes and the temperature of the LRE structure walls with regard for convective and conductive heat exchange are given; the actions of a heat flux with the specified distribution density on the structure surface are considered as functions of time and thermal radiation, that is due to the temperature and optical properties of a radiating body. It is shown that working process organization in the absorption chamber on the basis of numerous plasma formations makes it possible to produce a uniform profile of the heat flux distribution along the absorption chamber axis and thus reduce a possibility of separate structure sections overheating.     

Effect of Sintering on Thermal Conductivity and Thermal Barrier Effects of Thermal Barrier Coatings

Thermal barrier coatings (TBCs) are mostly applied to hot components of advanced turbine engines to insulate the components from hot gas. The effect of sintering on thermal conductivity and thermal barrier effects of conventional plasma sprayed and nanostructured yttria stabilized zirconia (YSZ) thermal barrier coatings (TBCs) are investigated. Remarkable increase in thermal conductivity occurs to both typical coatings after heat treatment. The change of porosity is just the opposite. The grain size of the nanostructured zirconia coating increases more drastically with annealing time compared to that of the conventional plasma sprayed coating, which indicates that coating sintering makes more contributions to the thermal conductivity of the nanostructured coating than that of the conventional coating. Thermal barrier effect tests using temperature difference technique are performed on both coatings. The thermal barrier effects decrease with the increase of thermal conductivity after heat treatment and the decline seems more drastic in low thermal conductivity range. The decline in thermal barrier effects is about 80 °C for nanostructured coating after 100 h heat treatment, while the conventional coating reduces by less than 60 °C compared to the as-sprayed coating.     

气冷涡轮叶片三维换热问题计算

建立了三维气冷涡轮叶片换热计算的热-流耦合计算模型, 将辐射热量作为源项加入到方程中, 采用热-流耦合方法完成了某气冷涡轮叶片带辐射的三维换热计算.辐射热量的计算采用了P-1辐射模型, 比较了计算辐射和不计辐射时叶片表面的温度值及温度分布的差异.计算表明对于1600 K这样的高温燃气, 辐射热量不可忽略, 考虑辐射热量后, 叶片温度明显升高, 温度分布也产生了显著差异.      

亚燃冲压燃烧室隔热屏壁温试验研究

亚燃冲压燃烧室在高空、高马赫数下工作时,其进气温度很高,冷却空气量少,给冷却设计带来很大困难.本文通过试验,研究了热障涂层和两种不同燃油喷射方式对某型亚燃冲压燃烧室隔热屏壁温的影响.结果表明:热障涂层对降低隔热屏壁温有一定的作用,喷油孔分布均匀的燃油喷射装置对冲压燃烧室冷却设计更有利.本研究可为亚燃冲压燃烧室的冷却设计...     

涡轮叶片热障涂层三维成像研究进展

热障涂层是涡轮叶片高温防护关键技术,具有典型的层状结构特征,且热障涂层服役过程中高温氧化产生热生长氧化物结构,迫切需要利用三维成像方法无损探知热障涂层内部结构.由于计算机断层成像技术能提供三维立体图像,准确再现物体内部三维结构,是热障涂层层状结构最佳分析手段之一,在热障涂层喷涂质量评价和高温氧化监测方面具有很好的前景....