超声速主流平板相变发汗冷却实验研究

液态水具有较高的比热容和很高的相变潜热,采用水作为冷却剂的相变发汗冷却技术是解决高超声速飞行器关键部位热防护的高效主动冷却技术。利用主流马赫数2.2,总温500K的超声速风洞实验台,研究了超声速主流条件下多孔平板相变发汗冷却规律,分析了注入冷却剂时的非稳态过程。研究结果表明,在超声速主流条件下,多孔平板表面平均冷却效率随着注入率的提升而上升,且多孔平板上游冷却效率高于下游冷却效率,发现液态冷却剂优先从上游流出多孔表面并朝下游铺展。提升冷却剂的注入率可以提升多孔平板表面温度的均匀性。冷却剂的注入压力受到水蒸气影响,随着注入率的增大先增大后减小再增大。在较小冷却剂注入率时(F=0.05%),多孔平板表面的冷却效率都保持在0.6以上,说明相变发汗冷却具有低冷却剂用量和高冷却效率的特点。     

液态水相变发散冷却的实验

以液态水为冷却介质,采用高温合金粉末烧结多孔材料制造平板实验件,实验研究了具有液态水相变的发散冷却特性.用远红外热像系统记录实验平板热端表面温度分布,通过热电偶及压力传感器监控冷却腔内温度和压力变化,从而分析液态水的相变过程.实验表明:随着液态水注入率的增大,平均冷却效率不断提高;当液态水在暴露于高温主流的平板表面发生气液相变时,平均冷却效率趋于稳定且不再大幅上升;主流温度与液态水注入率决定了液态水的相变位置,并对冷却腔内压力变化产生影响.      

单相液体发汗冷却规律实验

以超燃冲压发动机内支板结构的热防护问题为背景,制备了全烧结金属多孔介质支板结构,并对以液态水为冷却工质的发汗冷却特性进行了实验研究.实验结果表明:液态水发汗冷却能有效地减少支板壁面和高温流体之间的换热,当注入率为2%时,冷却效率可以高达93%;随注入率增大,发汗冷却的冷却效率趋近于100%,增幅逐渐减小;在该实验所采用的两种不同主流温度条件下,相同注入率、相同位置的冷却效率近似相等.对发汗冷却的冷却剂停止供应后的支板表面温度热响应特性进行了初步研究,根据支板内液态水蒸发的过程分3个阶段进行了分析.      

发汗冷却中多孔壁面添质通道流动的实验和数值研究

发汗冷却相比常规主动冷却方式是冷却效率更高、覆盖性能更好的热防护技术。为了研究发汗冷却中的添质流动现象,通过带有红外热成像技术的发汗冷却实验平台,在雷诺数1.35×105和总温373K的来流条件下对金属颗粒烧结多孔材料的发汗冷却效果进行了研究,得到了在不同注入率条件下多孔壁面的温度分布,结果显示平均冷却效率与注入率之间近似呈线性关系,当氮气注入率为33.5%时平均冷却效率接近0.45。通过对比单温度方程的局部热平衡模型和双温度方程的局部非热平衡模型的模拟结果,显示局部非热平衡模型能正确反映发汗冷却过程中的换热过程,模拟结果和实验数据具有较高吻合度。模拟结果表明:多孔壁面边界层随注入率的增大而增厚,边界层增厚是发汗冷却具有较高冷却效率的原因之一。     

多孔陶瓷氢气发汗冷却特性研究

为了研究复合材料微孔发汗冷却热防护技术,研究了冷冻浇注成型工艺定向直孔道碳化硅多孔陶瓷在高压高热流密度时氢气的发汗冷却特性。用电弧加热主流空气产生高温燃气、氢气发汗冷却对多孔陶瓷材料进行了13次热试验研究。试验的材料孔隙率为10~28%,燃烧室压力为3.6~7.9MPa,冷却氢气注入率为0.008~0.021。试验表明,当多孔陶瓷材料氢发汗冷却的注入率为1%时,主流高温燃气与微孔壁面之间的换热减少了30%以上。多孔陶瓷材料氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。研究得出了陶瓷多孔材料在高压大热流环境下用氢气发汗冷却的性能关联式。     

发汗冷却喷管多孔壁面的分段设计分析

对于采用烧结多孔结构作为发汗冷却壁面的喷管,为最大限度的减少冷却剂流量,提出了对多孔介质壁面沿轴向进行分段的发汗冷却结构.通过采用Fluent软件对分4段结构的多孔壁面推力室发汗冷却进行数值模拟并且与不分段的发汗冷却喷管比较发现,分4段的结构在满足室壁温冷却要求的前提下可将冷却剂与主气流量百分比从28.3%降至12.6%,这表明烧结多孔结构分段设计是减少喷管发汗冷却剂流量的有效手段.      

液体火箭发动机喷管发汗冷却研究

采用SSTk-ω湍流模型对液体火箭发动机喷管发汗冷却进行了全场耦合计算,考虑了不同孔隙率、变物性、可压缩性、多孔介质热弥散效应、微尺度流动以及传质等因素的影响,比对再生冷却分析了不同注入率对壁面温度、冷却效率以及边界层厚度的影响;结果表明平均注入率的增大使平均壁温以更大的比例降低,采用发汗冷却的喷管喉部不再是最高温的部位.将CFD计算结果分别与实验以及一维气动公式计算结果进行了比较,证实计算结果可靠.      

不同材料发汗冷却结构下氢冷却性能

为了实现航空航天等领域高温大热流燃烧装置的有效冷却,研究了不同材料和工艺制成的发汗冷却结构在高温高热流密度下,氢的发汗冷却性能。模拟高压推力室的结构特点和高热流设计发汗冷却试验件,用电弧加热主流空气模拟高温燃气、以氢气为发汗冷却剂对多孔陶瓷、烧结多孔不锈钢和多孔层板材料进行了33次172 s热试验研究。试验的材料设计孔隙率为10%~40%,燃烧室压力为2.7~8.4 MPa,主流燃气温度约为3 600 K,主流空气流量为220~1 490 g/s,冷却氢气流量为9.6~57 g/s,注入率为0.005~0.029。试验结果表明:当冷却剂氢注入率为1%时,主流与多孔陶瓷材料壁面和粉末冶金多孔结构壁面之间的换热分别减少了30%和70%以上;当注入率为3%时,主流与光刻多孔层间结构壁面之间的换热也能降低60%。证明氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。最后还总结得出了常温氢气对高压大热流环境进行发汗冷却的性能关联式。      

镍基高温合金多孔发汗材料的制备工艺研究

针对高超声速武器发动机对耐高温金属多孔发汗冷却材料的需求,本文以镍基高温合金为研究对象,通过粉末粒度选型、成形和烧结工艺的综合调控,制备出了孔结构均匀的多孔发汗材料,并对其性能进行分析。结果表明,制备的多孔发汗材料最大孔径<21.3μm,抗拉强度> 225 MPa,孔隙率> 25%;通过原料及制备工艺的调控,可实现发汗冷却材料的渗透率在10^-13～10^-12 m²范围内的有效控制;对多孔发汗材料的拉伸数据及断口形貌进行分析与表征,并证实其断裂方式为韧性断裂。     

一维、稳态、非热平衡发汗冷却的解析解研究

为了研究热平衡假设给求解发汗冷却问题带来的误差,同时避免非热平衡能量方程求解中边界条件提法上的争议,对一维、稳态、非热平衡发汗冷却数学模型进行了简化。通过忽略冷却介质流体在微孔流动中的热传导作用,得到了发汗冷却问题的解析解。利用解析解,讨论了热平衡与非热平衡的变化趋势以及影响热平衡的关键参数,并在此基础上,提出一个定量的热平衡假设使用准则。通过分析多孔材料骨架温度的变化趋势,研究了影响发汗冷却效率的因素。      

发散冷却最小冷却介质注射量的数值研究

充分发挥材料本身的抗高温能力, 以最小的冷却介质注射量, 确保推进器不被烧蚀是发散冷却系统的设计目标.本文用一维可压缩、非稳态、局部非热平衡模型, 数值研究了瞬态冷却过程及最小冷却介质注射量的依赖参数.数值研究表明:研究瞬态的冷却过程十分重要, 因为尽管当冷却过程达到稳态以后热端温度在烧蚀点以下, 但在进入稳态之前可能已经发生烧蚀;多孔介质骨架材料的初始温度越高、特征尺寸越大, 冷却介质需要量越大;在仅考虑冷却效果的前提下, 孔隙率越大, 冷却介质需要量越大;相反, 骨架材料导热系数越高, 冷却介质需要量越小.      

液体火箭发动机推力室发汗冷却传热过程的数值模拟(Ⅱ)数值方法与计算结果

对液体火箭发动机推力室发汗冷却传热过程的二维局部非热平衡模型进行了数值计算。计算中采用了正交曲线坐标系（贴体坐标）,并计及了冷却剂（氢）的热物性参数随温度和压力的剧烈变化及固体壁沿轴向的导热。结果表明：推力室多孔壁面中靠近燃烧室的部分温度梯度很大;固体骨架与冷却剂的温度差异在推力室内壁面上最大;推力室多孔壁面材料导热系数的提高有利于降低壁面温度及温度梯度;随着冷却剂流量的增大,推力室壁中的最高温度明显下降;若设计合理,发汗冷却所需要的冷却剂的量只占总流量的２％左右。     

发散冷却控制烧蚀过程的数值研究

用数值方法模拟了发散冷却控制结构烧蚀的瞬态过程,同时考虑了线烧蚀和体积烧蚀两种现象对多孔介质骨架高温表面的质量损失和冷却效果的影响,并讨论了高温主流携带的热流强度、冷却介质注入的初始速度和温度、及多孔材料骨架初始温度在控制烧蚀过程中的作用.      

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。      

推力室喉部层板发汗冷却段的结构设计分析

根据层板单元的热分析结果和层板发汗冷却推力室固有的结构特点,提出这种先进发动机冷却方案的设计原理和结构参数的计算公式,结合一台50kN发动机推力室喉部改再生冷却为发汗冷却的改形设计,分析其层板发汗冷却段喉部的设计方法和主要结构尺寸的计算结果。还比较了全再生冷却和发汗冷却两种冷却方式下发动机推力室的温度、热流密度和重量。对先进层板发汗冷却推力室的结构设计提供了参考。     

高马赫数涡轮发动机射流预冷特性研究

射流预冷涡轮基发动机在高空高马赫数工作时对冷却水和液氧具有迫切的需求。本文以气液相变冷却机制为切入点，开展高空模拟试验进气预冷段内水-液氧射流冷却的数值分析，考虑真实雾滴颗粒运动的热力现象，基于欧拉-拉格朗日多相流方法解析气液两相热质传输过程，分析水-液氧混合射流对高马赫数涡轮发动机预冷段内流动及换热特性的影响规律。结果表明，水-液氧射流雾化蒸发的效果具有即时性，基于水雾-水蒸汽比热大和汽化焓高的特点，水雾浓度对主流总温降和总压恢复占主导性；而液氧浓度有利于降低湿空气的热流密度。在射流浓度2%-8%时，预冷段总压降系数为0.84%-1.27%，总温降系数范围为2.15%-15.12%，即温降范围为12.92K-90.89K。为平衡高空高马赫数时冷却水和液氧的需求，需控制水-液氧的射流比例，液氧射流量建议小于60%的总射流浓度。在“40%水-60%液氧”的射流比例时预冷段内流动和传热特性达到局部最优。在发动机物理转速不变时，射流冷却后预冷段内湿空气来流质量流量增幅0.22%-9.39%，其中空气和水蒸气含量的贡献份额分别约为71.8%和28.2%。因此，射流预冷有利于涡轮发动机在高马赫数时具有更高的加速度。     

液体火箭发动机层板式预燃室液氧发汗冷却热控制

讨论了富氧预燃室液氧发汗冷却的分析计算方法。发汗流对燃气热流的阻隔分析采用Ｂａｒｔｌｅ－Ｌｅａｄｏｎ修正方法来完成,室壁温度分布和热穿透深度应用结构层板与发汗流存在温差的传热模型获得。讨论了发汗流压降和控制流道长度对预燃室壁温的控制作用。