中、小过载下战术发动机内流场数值模拟

针对战术发动机的飞行条件,建立了固体发动机过载条件下内流场两相流计算模型,开展了3种典型中、小飞行过载下的流场计算,详细分析了燃烧室内凝相颗粒冲刷参数分布,并初步分析了颗粒聚集状态与绝热层烧蚀之间的关系。研究结果表明:(1)当横向过载达到一定程度,在发动机筒段绝热层表面,在承载面沿着流场方向会形成一条粒子浓度缓慢增大的聚集带,而在非承载面粒子分布较为稀疏。(2)过载大小对颗粒冲刷速度的影响不明显,主要原因是燃气本身对颗粒运动的轴向加速很大,而过载的作用体现不明显。(3)燃烧室中粒子密集区一定程度反映了该部位的烧蚀环境较为严酷,绝热层烧蚀主要由于凝相粒子低速聚集导致了局部热增量加剧并引起了颗粒的二次聚集效应。因此,长时间中、小过载下,为了缓解燃烧室绝热层局部的严酷烧蚀环境,在已知粒子冲刷参数分布下,可增加局部绝热层设计厚度,调整发动机的飞行姿态使承载面呈现正负交替的过载以及增加发动机自身旋转动作。     

横向加速度对飞行发动机绝热层烧蚀影响的实验研究

设计了实验发动机与实验装置,进行了一系列飞行固体火箭发动机横向过载模拟试验,获得了不同加速度下发动机内绝热层烧蚀率定量化的试验数据。验证了横向加速度严重影响局部绝热层烧蚀的事实。机理分析表明,此种结果是由于横向加速度作用下燃气中Al₂O₃液态粒子偏离发动机中心线,沿离心力方向大量沉积所致。此项研究为相关的工程设计提供了基础性的依据。      

箭上复合材料气瓶绝热性能数值分析和试验研究

为满足复合材料层使用温度不超过80℃的安全要求,安装在运载火箭发动机舱段的复合材料气瓶需包覆一定厚度的绝热层。本文结合40 L复合材料气瓶及绝热层的结构参数和材料物性参数,基于集总参数方法建立了考虑辐射、导热、自然对流的传热模型,分析了包覆绝热层后的瓶体绝热性能及绝热层厚度的影响,并开展了包覆5和10 mm厚度绝热层的复合材料气瓶绝热试验,数值模拟结果与绝热试验测量数据吻合良好。     

长时间小过载条件下发动机流场特征及绝热层烧蚀分析

以揭示固体火箭发动机在飞行条件下绝热层的异常烧蚀特性为目的,针对小过载、长作用时间条件下大长径比流道的发动机开展了三维两相流场的数值模拟研究,详细分析了发动机内流道内不同区域的颗粒聚集特征,并结合发动机失效部位处绝热层的烧蚀形貌进行了失效模式分析,针对性地提出了改进措施.研究结果表明:(1)不同过载条件下发动机内颗粒聚集和分布状态受过载大小和发动机流道结构共同作用且影响规律复杂,所引起的绝热层异常烧蚀模式和机理不同,特别是小过载长作用时间条件下的异常烧蚀需要引起设计者重视.(2)颗粒聚集在绝热层表面的换热或冲蚀都将引起绝热层局部烧蚀加剧,形成的“凹坑或凹槽”烧蚀形貌会造成颗粒的二次聚集效应,进而加剧烧蚀过程.(3)通过增加发动机旋转动作和局部绝热层加厚,可以提高发动机的飞行安全性.     

高过载条件下绝热层烧蚀实验方法研究(Ⅰ)方案论证及数值模拟

分析了高过载对固体火箭发动机流场和绝热层烧蚀的影响规律,提出一种新的研究思路:采用数值模拟方法来预示发动机三维两相流场,建立高过载流场模拟实验装置,开展绝热层烧蚀实验,建立高过载条件下的绝热层烧蚀模型,在此基础上发展高过载发动机绝热层设计和烧蚀预示方法.其中关键技术是高过载流场的模拟,对粒子加入法和弯管分离法两种方案进行了论证,认为弯管分离法原理上是可行的.为了验证这种方案的可行性,开展了弯管通道两相流的数值模拟研究,计算结果表明弯管装置具有使凝相粒子聚集形成高浓度粒子流的功能.     

高过载条件下绝热层烧蚀实验方法研究 (Ⅰ)方案论证及数值模拟

分析了高过载对固体火箭发动机流场和绝热层烧蚀的影响规律，提出一种新的研究思路：采用数值模拟方法来预示发动机三维两相流场，建立高过载流场模拟实验装置，开展绝热层烧蚀实验，建立高过载条件下的绝热层烧蚀模型，在此基础上发展高过载发动机绝热层设计和烧蚀预示方法。其中关键技术是高过载流场的模拟，对粒子加入法和弯管分离法两种方案进行了论证，认为弯管分离法原理上是可行的。为了验证这种方案的可行性，开展了弯管通道两相流的数值模拟研究，计算结果表明弯管装置具有使凝相粒子聚集形成高浓度粒子流的功能。     

基于空气绝热的飞机空气导管绝热设计

在分析现有飞机泄漏探测系统性能的基础上,提出了一种基于多层绝热的飞机空气导管泄漏探测结构.推导了该种多层绝热的工程计算方法,并对不同管径的导管进行了绝热层设计计算.其次,为了验证该计算方法的准确性,搭建了高温压力管道空气绝热试验平台,获得了不同温度下空气绝热层的外表面温度.同时,采用数值分析方法进一步考察了导流洞数量及导流洞直径对绝热设计计算的影响.最后,根据导流洞对绝热设计的影响进行了结构优化.研究结果表明:该结构与传统的泄漏探测系统相比具有对泄漏的高温气流具有快速导流作用,保证泄漏探测系统能及时探测到泄漏信号并作出报警响应;绝热层外表面温度的计算值比试验值偏大,最大误差为23.08%.随着导流洞孔径和个数的增加,绝热层外表面的平均温度减少,并且导流洞个数的增加对绝热层外表面温度的影响较大.该研究结果为飞机空气导管的国产化提供参考依据.      

国外EPDM老化性能简介

三元乙丙(EPDM)绝热烧蚀材料是一种新型的柔性绝热烧蚀材料,它在固体火箭发动机上正在获得越来越多的应用.它可用作火箭发动机燃烧室内绝热层,也可用作火箭发动机喷管收敛段及火箭的外绝热层.老化性能是材料的主要性能指标之一.它决定材料使用寿命及使用这种材料的产品寿命.固体推进火箭发动机对绝热烧蚀材料提出了相当高的要求,为使三元乙丙柔性绝热烧蚀材料在固体火箭发动机上获得广泛的应用,有必要对EPDM的老化性能有一个充分的认识.本文基于这个目的,对国外在EPDM胶料的老化、固化体系的影响;卤素有机化合物、抗氧剂的影响;以及火箭发动机用绝热层的老化等方面的研究作简要介绍,以提高我们对EPDM柔性绝热烧蚀材料老化性能的了解.     

固体火箭发动机绝热层分析和设计

固体火箭发动机的绝热层设计是燃烧室设计中的一个重要部分,它关系到发动机的性能和可靠性。本文简介了现有绝热层的种类和基于绝热层在高温碳化过程中不发生侵蚀现象的厚度确定方法,并结合实际提出了绝热层设计中需注意的问题。     

双脉冲固体发动机燃烧室EPDM绝热层烧蚀性能实验研究

双脉冲发动机工作时燃烧室内部热环境复杂,对内绝热层设计提出很高要求,但对双脉冲发动机燃烧室内EPDM绝热层的烧蚀性能研究较少。为此,本文提出了工作时间为15s和两次点火工作时间为7.5s+7.5s的发动机实验方案,以研究双脉冲固体发动机燃烧室内EPDM绝热层的烧蚀性能。采用SEM电镜扫描、微米CT测试分析获得了烧蚀试件的表面宏观形貌、炭化层表面和断面微观形貌以及炭化层三维构型;利用测厚仪测量结果计算了试件的烧蚀率。结果表明,在总工作时间相等的情况下,双脉冲发动机中EPDM绝热层的烧蚀率比传统发动机大;与传统发动机中单次热冲击下烧蚀后试件相比,双脉冲发动机二次热冲击下烧蚀后试件的炭化层厚度减小约50%,总体孔隙率增大约13%;烧蚀表面致密层的致密程度也有所减小。双脉冲发动机工作时,EPDM绝热层的烧蚀性能在二次热冲击下发生较大变化,需在燃烧室内绝热层的设计过程中予以重视。     

轴向过载对固体火箭发动机前封头绝热层烧蚀的影响

研究了固体火箭发动机内绝热层在飞行速度条件下的炭化烧蚀特性。用烧蚀发动机的旋转实验装置上,对ＮＢＲ和ＥＰＤＭ绝热层试件进行了烧蚀实验。在加速度７０ｇ、压强５ＭＰａ、时间１０ｓ条件下,绝热层平均炭化烧蚀率增大系数小于１．７。实验结果可用为发动机绝热层设计的依据。     

金属热防护系统设计的有限元分析

对可重复使用运载飞行器金属热防护系统进行了有限元分析,计算发现超耐热合金防热结构中下层蜂窝夹芯板的存在会增加结构的质量,但是并不会提高绝热性能,因此改进型防热系统取代了超耐热合金防热系统。比较分析了板间缝隙宽度和辐射率对防热结构底部最大温度的影响,表明减小板间缝隙是消除缝隙辐射的最好办法。分析了模拟条件对热防护系统尺寸设计的影响:初始温度为0℃时比为40℃时最大可以减少17%的厚度和7.7%的质量;考虑热损失厚度最小可以降低26%,质量最小可以降低7%。     

某探测器上火箭发动机热防护仿真与设计

根据某探测器的具体结构及工作条件,分析和计算探测器上火箭发动机的热环境参数.利用有限元法计算火箭发动机固壁辐射热流密度,依据热流边界条件设计热防护方案;利用有效发射率表征多层隔热材料隔热性能并进行温度场数值仿真.由于多层隔热材料性能参数的不易确定性,计算了参数在较大范围内的热防护效果.通过仿真计算验证热防护方案的有效性和可靠性,并分析影响热防护效果的主要因素;计算结果表明多层隔热材料的有效发射率是影响隔热性能最重要的因素,比热容、表面发射率、密度对热防护性能影响很小.      

旋转固体火箭发动机随质量变化的姿态运动分析

旋转固体火箭发动机是否稳定主要取决于其微小的侧向角速度是否被耗散或被放大。就发动机内部随燃烧而质量发生变化,且使飞行器整体质心前移的圆柱形装药结构进行姿态动力学分析,得到在几种典型装药形式下侧向角速度随时间的变化情况。结果指出,质量的减小对飞行角速度的变化是有影响的,由于误差等因素所引入的初始侧向角速度也会被逐渐耗散掉。此外,在某些装药形式及燃烧方式下,其侧向角速度在燃烧过程中会以指数规律增加,通过对计算结果的分析,提出了对发动机设计的稳定性要求。     

整体叶盘结构强度减振一体化设计方法

基于软件ANSYS,建立了整体叶盘参数化模型.结合轮盘强度设计应力标准,借助ANSYS优化模块,获得了满足强度要求的最轻整体叶盘模型.分析了整体叶盘的振动特性,研究了轮盘和叶型参数调整对整体叶盘固有频率的影响.在此基础上,研究了通过改变缘板厚度、罩量及叶型厚度等参数使整体叶盘避开低阶激振的结构设计方法.研究结果表明:对于鼓筒约束的整体叶盘,轮盘参数调整可提高整体叶盘低阶耦合振动频率与4E激振频率在最大转速的裕度为2.2%,而叶型参数调整对此裕度的影响可达8%.最终获得的整体叶盘模型在1阶振动避开5E以下激振,并与4E激振频率在最大转速的裕度达10.8%的基础上达到质量最轻,因避频质量增加4.77%,说明整体叶盘结构强度减振一体化设计方法是可行的.      

耐高温隔热材料组合结构模拟研究与试验验证

以热防护系统隔热组合结构中不同隔热材料厚度尺寸为计算变量,以飞行器主结构温度极值即最低背面温度为目标参数,以组合结构中第二层材料最高使用温度为约束条件建立隔热组合结构模型,并进行了石英灯考核验证。采用通用软件ANSYS 进行一维瞬态有限元热分析,将模型计算结果和试验结果进行了全面对比,各项数据吻合良好。     

超声速飞行器综合热管理系统优化设计

针对飞行器超声速巡航时遭受机体外部气动加热与辐射换热的情况，提出了一套综合考虑燃油系统、冲压空气与消耗性冷却剂制冷系统及热防护系统的超声速飞行器综合热管理系统；针对典型的超声速飞行包线，基于二阶多项式响应面代理模型技术，以热防护层厚度、回油质量流量以及消耗性相变冷却剂质量流量为设计变量，以燃烧室进口燃油温度为约束条件，以变量引起的起飞重量增量及其燃油质量代偿损失最小为设计目标，采用自适应模拟退火算法对综合热管理系统进行了优化设计。结果表明：采用二阶多项式响应面代理模型计算的结果与仿真计算结果的误差低于2%；在本文选取的设计变量取值范围内，最优方案倾向于热防护层厚度和冷却剂质量流量取最小值而回油质量流量取中间值，且最优方案较第一组初始方案就目标函数而言减重约16%。     

基于Maxwell的电动汽车轮毂电机电磁损耗特性分析

电动汽车轮毂电机经常要在复杂的运行工况和恶劣环境下运行,导致轮毂电机电流和内部电磁损耗不断发生变化,对电机温升分析和可靠运行产生严重影响。以1台4 kW轮毂电机为例,利用Maxwell电磁有限元分析软件,建立轮毂电机的电磁有限元模型并对电磁场进行计算。通过选取加速和过载中常见的8种工况进行计算,分析了轮毂电机各部件的电磁损耗分布状态和数值变化规律。由分析结果可知,定子铁耗随转速的上升而增加,随过载倍数增加的变化不大;转子产生的铁心损耗可以忽略不计;永磁体涡流损耗同时随着加速和过载的增加而增加,但加速工况产生的影响更强;绕组铜耗主要受过载倍数变化的影响,占总损耗的比重最大,是主要热源。研究结果为轮毂电机温度场的分析和冷却结构的设计提供重要的参考依据。     

旋转受限层板中隔板对层板流动换热的影响

采用数值模拟的方法,研究了旋转受限层板结构中隔板对层板中冷却气体流动换热的影响机理.结果表明:隔板结构能够有效地提高层板的换热能力,旋转受限层板比不受限横流冲击层板的Nu高18%,比不受限横流冲击出流层板的Nu高15%.隔板导热条件下比绝热条件下的层板的Nu提高10%~15%.在旋转受限层板中,冲击孔靠近旋转中心一侧换热能力随着旋转数的增加而降低,冲击孔远离旋转中心一侧换热能力随着旋转数的增加而增加.旋转的加入,可以有效地降低靶面上由于隔板的加入而导致的高温区的温度,旋转受限层板更适用于涡轮动叶.     

大功率九相变频异步电机通风系统热流耦合仿真分析

为了有效解决大功率低速异步电机通风散热难题,基于热流耦合仿真分析计算方法,以1台2 800 kW、8极九相变频异步电机为例,系统分析了顶吸式强迫风冷电机内定子齿压板宽度距离对电机内风量分配、绕组温升分布以及内部风阻特性的影响,并筛选了匹配方案;同时,对比分析了九相减薄绝缘结构与三相高压绝缘结构的换热性能。最后,进行了电机的温升试验测试,温度场计算值与试验结果基本吻合,验证了基于热流耦合仿真分析计算的准确性和有效性。