长尾喷管传热及烧蚀特性研究

针对长尾喷管的热防护问题,本文采用实验和数值仿真结合的方法,研究了采用SQ-2推进剂固体火箭发动机复合结构长尾喷管的传热以及烧蚀特性。仿真程序采用基于格心的有限体积法,对流体域求解Navier-Stokes方程,对固体域求解热传导方程,湍流模型采用k-ω SST模型,通过保证热流密度大小相等、温度连续的方法实现耦合传热计算;在以上仿真计算方法的基础上建立了基于热解动力学的变热物性模型描述碳/酚醛材料的体积烧蚀,并采用简化的异相反应模型对喷管热化学烧蚀量进行计算。结果表明在收敛段和等直段区域压强变化较小,炭化层厚度和烧蚀量与温度分布相似, 并在距离等直段入口约1.6mm位置达到极小值。碳/酚醛材料炭化速率随时间减小,烧蚀速率随时间增长趋于稳定,而喉衬区域C/C复合材料烧蚀速率随时间增加。     

长尾喷管两相流流场计算

为了给长尾喷管热防护结构的烧蚀和温度场计算提供准确的热边界条件，从二维轴对称N－S方程出发，采用颗粒轨道模型和有限体积的Jameson格式计算了长层喷管纯气相流场和两相流流场，分析和比较表明：在长尾喷管喉部附近以及扩散段的相同轴向位置，两相流情况下轴线上的燃气马赫数小于纯气相情况下的燃气温度；在进行长尾喷管热防护结构设计时应以两相流流场作为热边界条件。     

某型直升机发动机尾喷管前转接段模态分析

某型直升机发动机出现的尾喷管裂纹故障主要发生在尾喷管前转接段焊缝周围。为分析故障原因,文章建立了该型发动机尾喷管结构的计算模型。对该型喷管整体结构进行了自由振动和模态分析,获得了该喷管模型的多阶自振频率和模态。将有限元分析结果和实验结果对比表明,两者所得的固有频率吻合性较好。     

长尾喷管故障诊断中的两相流动计算

为了给长尾喷管故障诊断提供理论依据并提供改进措施,利用颗粒轨道模型和有限体积的Jameson格式计算了长尾喷管两相流流场,得到了流场中温度和马赫数的分布和不同燃烧室总压下不同尺寸的粒子对喷管壁面的撞击情况,结果表明大尺寸粒子对直管段壁面的撞击位置存在一个集中点,这是造成喷管烧穿的重要原因。得出了总压越高粒子撞击壁面的次数越多、尺寸越大粒子撞击壁面的次数越多的结论,给出了提高长尾喷管热防护结构可靠性的一些措施。      

某型飞行器发动机长尾喷管两相流数值计算

基于FLUENT数值仿真软件,采用颗粒随机轨道模型,对某型飞行器发动机长尾喷管内两相流及长尾喷管内烧蚀机理进行了研究。针对长尾喷管烧穿现象,给出了提高长尾喷管热防护结构可靠性的方法。     

多孔纤维陶瓷的各向异性热导率研究

确定陶瓷涂层各向异性热导率是航空发动机热障防护的重要研究内容。本文从多孔陶瓷的各向异性结构出发,建立导热微元体模型,通过计算特定排列方式的多孔介质结构不同方向的热阻,建立了热导率与多孔结构的关系,推算出材料各向异性热导率值。并由各向异性陶瓷热障涂层的隔热效果数值模拟,阐明了材料性能的优越性,以上方法可为指导陶瓷涂层的热防护设计提供参考。     

固液火箭发动机多界面喷管瞬态传热特性研究

固液火箭发动机是一种采用固体燃料和液体氧化剂的一种新型火箭发动机,由于燃料和氧化剂是不同物理状态,且在燃烧室内为非预混扩散燃烧,因此固液火箭发动机固体燃料的燃速低,工作时间长。固液火箭发动机喷管一般采用被动热防护喷管,喷管结构在长时间工作中的热防护问题是发动机设计中的关键问题。针对工作时间为200s的全尺寸固液火箭发动机,本研究采用碳陶复合材料、钨渗铜高温合金和高硅氧酚醛树脂等材料,提出了三种喷管结构方案。随后通过建立喷管材料瞬态热传导和烧蚀仿真模型,对三种不同方案的喷管结构的传热特性进行了仿真计算,分析了固体药柱内径在工作过程中变化对喷管传热性能的影响,发现药柱内径会改变燃烧火焰层结构,进而影响喷管壁面的温度分布和热流分布,热流密度在喷管喉部位置达到最大值。本研究同时还开展了相应的地面热试车试验,对仿真结果进行了验证分析。此外,对固液火箭发动机的喷管设计提出了建议和展望。     

长时间抗强氧化剥蚀固液发动机喷管热结构材料研究

能衔接固体发动机和液体发动机比冲的固液发动机得到广泛研究。由于固液发动机的强氧化剥蚀环境,发动机的主动热防护喷管很难满足长时间工作的需求。利用固液火箭发动机,喷管采用主动热防护方案,完成了工作时间长达200s固液发动机的喷管热结构型式设计、热结构材料制备和热结构材料筛选试验。完成两轮热试验工作。初始状态喷管和改进状态喷管均成功通过长达200s固液发动机热试车考核。研究结果表明:(1)固液发动机喷管的热结构设计与抗强氧化、高温烧蚀和剥蚀的材料制备,是保证喷管长时间稳定可靠工作的两个技术关键。(2)采用复相陶瓷复合材料结构件改进喷管的性能一致性、工作可靠性更高,材料烧蚀率相对更低。(3)改进喷管大幅度地提高固液发动机性能,提升燃烧室内压159%,提高发动机推力43%。     

纳米隔热材料导热机理与特性研究

以SiO2气凝胶为研究对象,对其气相和固相导热机理进行了研究,进而为SiO2气凝胶材料传热设计提供理论指导.建立了SiO2气凝胶固相结构单元导热模型,在考虑对声子平均自由程的各种限制条件基础上,运用动力学理论分析了影响SiO2气凝胶固相结构单元热导率的影响因素.根据SiO2气凝胶微观结构特点,建立了几种纳米孔隙模型,计算了各种条件下SiO2气凝胶的当量热导率,研究了SiO2气凝胶各物性参数对其当量热导率的影响,并对比了几种纳米孔隙模型下SiO2气凝胶的当量热导率,并与实验值做了比较.     

轴承腔典型结构热防护性能模型实验研究

针对航空发动机轴承腔中带隔热夹层的典型热防护结构，开展了模型试验件的隔热性能实验研究。通过搭建专用试验平台测量不同热防护结构在典型工作温度下的隔热性能，使用稳态法开展相应结构的等效导热率研究。结果表明，气凝胶材料厚度增加可快速提升结构整体热阻，在相同厚度条件下空气夹层与气凝胶隔热性能相当；在组合隔热夹层1/3处增加反射屏后可提升隔热温差20.4%；考虑安装“热短路”效应影响，典型组合隔热试验件热导率最小为0.58W/（m·K），远大于单独隔热材料的热导率。     

比较研究多种气膜冷却模型的冷却效果

计算并比较了高性能航空燃气发动机尾喷管扩张调节片采用以下几种气膜冷却结构的冷却效果 :缝槽气膜冷却、离散小孔气膜冷却、缝槽 /小孔复合气膜冷却 ,发展了用单排孔和缝槽气膜的有效温比计算多排孔和缝槽 /小孔复合气膜有效温比的公式 ,计算了考虑喷管内高温燃气辐射和气膜冷却作用下喷管壁面的温度分布 ,为高性能航空燃气发动机高温部件冷却结构的选型提供了有益的参考。     

尾喷管构型对多循环两相脉冲爆轰发动机流场及性能影响

为了研究尾喷管构型对多循环工况下非定常气液两相脉冲爆轰发动机推进性能的影响,运用适应能力强的非结构网格CE/SE(时空守恒元和求解元)方法数值研究了带尾喷管脉冲爆轰发动机的内外流场.结果表明:尾喷管对脉冲爆轰发动机性能的影响在单次循环和多循环工况下有显著差异;当燃料填充率为1、环境压力为0.1MPa时,完成一个周期各种构型尾喷管产生的平均推力由大到小依次为拉伐尔喷管、塞式收敛扩张喷管、收敛喷管、无喷管、直喷管;研究中塞式收敛扩张喷管可以提供最大的冲量和燃料比冲,但完成单个循环的周期最长.      

分区和有限容积法计算长尾喷管中的湍流流动

为了给长尾喷管热防护结构设计提供热边界条件，从轴对称二维雷诺平均N－S方程出发，采用分区算法和有限容积法计算了长尾喷管中的湍流流动，分析了流场的结构特性，提出了长尾喷管中燃气温度，压强和马赫数分布的某些规律以及燃气温度沿壁面的分布，计算和分析结果提出了长尾喷管热防护结构设计应注意的事项。     

复合结构喷管烧蚀形貌的测定及其对流场的影响

为研究烧蚀形貌对固体火箭发动机喷管的影响,采用激光扫描技术对石墨/高硅氧复合结构喷管的烧蚀形貌进行了测量,测量结果显示:两种热防护材料的交界面处产生了烧蚀台阶,收敛段内烧蚀台阶在两种材料的交界面处,而扩张段内的烧蚀台阶在交界面下游。根据所测喷管的平均烧蚀速率,反推出3个不同时刻喷管的烧蚀型面,并以此为模型对流场进行数值模拟,研究烧蚀引起的喷管型面变化对喷管内流场、壁面传热及发动机性能造成的影响,计算结果表明:扩张段内的烧蚀台阶处会产生回流区,加剧当地对流换热,台阶附近还会形成膨胀波和斜激波,对主流区域造成显著影响;而收敛段内的烧蚀台阶对主流区影响较小,与烧蚀前相比,此处台阶上游对流换热强度减弱;烧蚀台阶的出现会改变喷管壁面处的压力分布,导致发动机出现推力损失。     

火箭发动机喷管辐射及壁温的计算研究

研究了火箭发动机复合喷管的耦合换热及瞬态壁温的计算方法,考虑了扩散控制的C/C喉衬的稳态烧蚀,建立了封闭腔-净辐射模型计算喷管内的辐射换热,改进了喷管辐射换热的计算方法.计算了两种复合喷管的壁温随时间的变化,并与有关文献的结果进行对比.研究表明:在火箭发动机喷管的入口段,高温燃气对壁面的辐射换热热流比对流换热热流强;采用封闭腔-净辐射法计算火箭发动机喷管的辐射精度较高.      

纳米孔隔热材料等效热导率的计算

通过文献调研,分别讨论了纳米孔高效隔热材料在微米尺度和纳米尺度下气体导热,纳米尺度孔结构气固耦合等效热导率,添加遮光剂颗粒的气凝胶复合等效热导率和高温辐射等效热导率的计算方法.在此基础上,调研了用于计算流固耦合等效热导率计算的几种典型理想结构,结合对纳米孔高效隔热材料等效热导率有影响的各种因素及微米理想结构,采用热阻串并联的分析方法,可以计算纳米孔高效隔热材料的等效热导率.     

二氧化硅气凝胶的等效热导率理论

应用分子运动论对二氧化硅气凝胶的传热机理进行了研究。根据其微观结构特点,建立了纳米孔隙模型。考虑气体分子间的相互作用力,推导了纳米孔隙内气体的热导率,得到了二氧化硅气凝胶内气体热导率的表达式。建立了二氧化硅气凝胶固相结构单元导热模型,运用分子运动论推导了固相结构的热导率,获得了二氧化硅气凝胶的总体等效热导率。结果表明,影响二氧化硅气凝胶内气体热导率的主要因素是气体的平均分子自由程与分子之间以及分子与壁面之间的相互作用,固相结构单元的直径和接触界面的直径是影响固相结构单元热导率的主要因素,而二氧化硅气凝胶孔隙尺寸的分布严重影响其等效热导率。     

二氧化硅气凝胶原位填充聚酰亚胺泡沫的结构及隔热性能研究

以超轻质开孔柔性聚酰亚胺泡沫为基体,采用溶胶凝胶工艺制备了一系列二氧化硅气凝胶原位填充的聚酰亚胺复合泡沫。复合泡沫密度10~100 kg/m³可调,厚度1~ 400 mm可调,最大宏观尺寸可达1 m×1 m。对其泡孔结构、隔热性能、热性能进行了系统表征,分析了二氧化硅气凝胶原位填充聚酰亚胺泡沫的隔热机理。结果表明：二氧化硅气凝胶的引入,可有效降低复合泡沫室温热导率,提高其隔热性能;随着二氧化硅气凝胶含量的增加,聚酰亚胺复合泡沫的热导率由38.8 mW/（m·K）降低至19.6 mW/（m·K）;热端温度300 ℃时,复合泡沫热导率仅为61.1 mW/（m·K）;填充二氧化硅气凝胶后,聚酰亚胺复合泡沫热稳定性大大提高,在900 ℃下热失重残留量约为80%。     

火星着陆发动机气凝胶材料热防护装置设计

大推力着陆发动机高温热防护技术对火星着陆任务安全至关重要。基于多级热辐射反射结构的常规发动机高温隔热屏在火星大气环境中使用时,因内部气体换热导致隔热性能显著衰减。为解决这一问题研发了一种基于气凝胶隔热材料的新型发动机热防护装置。根据火星探测工程任务服役环境防隔热需求,建立了考虑低压气氛与高温热流边界影响的瞬态传热模型,开展了新型隔热系统的外形锥度、隔热层厚度等关键结构参数的优化设计,通过三维瞬态仿真分析及与发动机联合试车地面试验验证了设计有效性。气凝胶热防护装置成功应用于天问一号火星着陆巡视器,实现了对着陆发动机1 500℃超高温的有效屏蔽。对在轨遥测数据进行反演分析,提出了基于气凝胶材料的高温隔热设计的优化改进方向。     

固体火箭发动机碳基材料喷管热化学烧蚀特性

为了准确预示固体火箭发动机碳基材料喷管的烧蚀率,依据热化学烧蚀理论,建立了喷管传热烧蚀的二维轴对称气-固-热耦合计算模型,计算通过FLUENT壁面化学反应模型完成,无需事先假设烧蚀控制机制。针对70-lb BATES发动机喷管进行了烧蚀计算,研究了推进剂配方、氧化性组分、燃烧室压强对喷管烧蚀的影响。结果表明:烧蚀率计算值与试验测试值吻合较好;烧蚀率分布遵循喷管内壁热流密度分布规律,在喉部上游入口处达到峰值;烧蚀率随推进剂Al含量增加而降低,随燃烧室压强升高而近似正比例增大;H2O是决定烧蚀的主要氧化性组分。