Heat transfer at various methods of thermal protection in the systems of power-driven gas turbine plants (GTP)

The scheme variants of implementing the thermal protection against heat flows being generated by the body of a high-temperature stationary gas turbine engine (GTE) are presented. The scheme of the experimental bench with a working section is given. Methodical approaches to the heat transfer calculation at different variants of forced and natural convection organization and under various operating conditions are described. The generalized results of the experiments carried out using a heat curtain being generated by porous injection are presented.     

Surface protection by shielding from a hot source under conditions of free convection

In this paper, one way of heat protection from hot elements of the ground-based power-driven high-temperature gas turbine plant case have been experimentally studied by using shields placed between the case and outer skin under free convection in air gaps. Using the experimental model setup, experiments aimed at studying the temperature state of all its elements, namely, hot and cold walls, shield, and air gaps under free convection have been conducted. In the course of these experiments, the temperature of hot wall and air gap thicknesses were varied. The plots obtained by thermometering all walls are presented. As a result, generalization of the data obtained makes it possible to augment the data base and use it in choosing an optimal version of heat protection.     

丙二醇改性水溶液的发汗冷却实验研究

针对液态水相变发汗冷却实验中的振荡、表面温度分布不均及结冰现象,对液体冷却剂进行调研,选取丙二醇添加剂对液态水改性,在主流温度573K,雷诺数1.2×10⁴的亚声速高温风洞中实验研究了不同丙二醇改性水溶液浓度和注入率下多孔平板的相变发汗冷却特性。结果表明：随丙二醇浓度增大,多孔平板对改性水溶液的渗透率增大,多孔平板表面温度的振荡幅度减小,同时振荡周期内温度波峰降低。因此,使用丙二醇改性水溶液作为冷却剂,发汗冷却结构表面温度分布更加均匀,热疲劳损伤减小,承温极限升高,进而烧蚀风险降低,这对有效且高效的热防护系统设计具有重要意义。另外,注入率越大平板表面冷却效果越好,表面温度的振荡幅度越小,因此增大注入率也是改善多孔板表面温度波动的有效方式。     

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。      

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.      

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.      

考虑辐射效应的多孔材料传热有限元算法

应用有限元法求解一维半透明多孔介质辐射对流传热问题。通过对辐射传递方程与边界条件中积分项的离散 ,推导出有限元求解列式。对于多孔介质传热控制方程和气体传热控制方程的求解 ,采用时间积分技术对两相温度统一进行求解。而对于边界方程处理 ,则通过传热方程与边界方程的循环求解 ,求出任意时刻温度场的瞬态解。给出数值算例 ,得出了放置在通风口、同时受到伴随辐射作用的半透明多孔介质传热的瞬态解 ,讨论了部分参数对瞬态温度场以及换热效果的影响      

金属蜂窝夹芯板瞬态热性能的计算与试验分析

 掌握热防护系统(TPS)中热结构超合金蜂窝面板在热环境下的传热隔热特性,是飞行器防热结构设计的先决条件。从镍基高温变形合金蜂窝板隔热试验出发,结合蜂窝板的试验和实际使用环境下的对流换热理论分析,建立了考虑夹芯的辐射、传导和对流传热形式的蜂窝面板的瞬态传热数值计算模型,得出镍基合金蜂窝板在高温下的防热特性。通过与试验结果进行对比,分析了试验误差和不同环境间的修正。讨论了部分蜂窝板设计参数对隔热效果的影响,得到了不同材料常数和蜂窝芯壁厚对隔热效果的影响规律。     

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。     

读屏模式下的网络文学

随着传播信息所依赖的媒介不断改变,人类进入读图时代,开启了读屏模式。读屏模式下的网络文学实现了语图的和谐共存。透过屏幕,经典作品与大众文化进行了沟通,自由精神的信念得以深入人心。读屏模式下的网络文学的必由之路是由解构走向重建,为语图战争的消弭另辟蹊径。     

旅客机座舱热舒适动态特性仿真

巡航飞行时,旅客机座舱内相对湿度和空气密度都低于地面建筑物环境。低相对湿度会造成更高的蒸发热损失,低密度空气却会减少对流换热,在这2种因素的复合作用下,会使座舱内热舒适性与地面建筑物有所不同。针对传统旅客机环境控制系统不能完全满足座舱内舒适性要求的状况,提出一种直接以舒适指标PMV为控制目标的热舒适控制策略,应用集总参数法建立了座舱热舒适动态特性模型,并采用仿真方法研究了分别以PMV和温度作为控制目标时,座舱内热舒适的动态特性。仿真结果表明,舒适控制能更好地满足座舱内的热舒适;此外与地面建筑物环境相比,需要更高的空气温度才能使座舱达到热舒适。     

Study of thermo-fluidic characteristics for geometric-anisotropy Kagome truss-cored lattice

The aim of this paper is to provide a comprehensive comparison of the thermal insulation and heat transfer performance for Kagome truss-cored lattice along two perpendicular orientations OA and OB. Three test conditions are conducted under forced air convection for the titanium sandwich panel fabricated by 3 D printing technology. The thermo-fluidic characteristics are further explored by numerical simulation to reveal the underlying mechanisms of heat transfer enhancement.The results indicate that the orientation OB exhibits better thermal insulation than orientation OA under the identical temperature loading, while the latter outperforms the former by up to 20% higher overall heat transfer performance. In particular, the endwalls and lattice core in orientation OA achieve 9.7% and 22.5% higher area-averaged Nusselt number respectively than that in orientation OB for a given Reynolds number. The heat transfer superiority of orientation OA comes from the unique topology which induces the large scale spiral primary flows, facilitating the heat exchange between the cooling air and the surfaces of sandwich panel. However, the complex flow mixing leads to a maximum of 20% higher friction factor in orientation OA than that in orientation OB.     

组合动力用过氧化氢煤油推力室热防护方案设计方法

本文面向组合动力对过氧化氢煤油推力室的应用需求,建立工程计算方法以进行热防护方案设计。通过修正燃气对流换热系数和引入液膜分解率完善工程算法,使工程计算结果与三维流固热耦合计算结果和实际试验结果符合较好。在此基础上,对组合动力用推力室进行热防护方案设计,结果表明：采用头部过氧化氢液膜和身部过氧化氢再生的方式可实现可靠热防护,其中,液膜流量在氧化剂中占比为30%。采用上述研究思路具备开展快速方案论证的能力,可在众多方案中选出热防护性能较优的方案。     

随机复合材料统计多尺度边界元算法研究

热传输行为是空天飞行器热防护系统服役过程中的重要问题,研究随机复合材料的热传输机理,可为热防护系统材料与结构的一体化设计提供理论依据。针对随机复合材料的热传导问题,发展一种统计多尺度边界元算法,首先建立等效材料参数的统计多尺度分析模型,然后给出统计意义下等效参数的多尺度边界元预测算法,并通过与理论结果的对比来验证算法的有效性,最后研究微结构分布状态对陶瓷多孔材料等效导热系数的影响。结果表明:采用统计多尺度模型及多尺度边界元算法预测随机复合材料的热传导性能是有效的。     

1 500℃极端高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料热/振联合试验

远程高超声速飞行器处于极为恶劣的气动加热与振动耦合环境中,长时间的高温与振动载荷相互叠加会导致飞行器热防护材料出现裂纹、错位、剥离或脱落,甚至会引发致命的安全事故。因此热防护材料在极端高温环境下的地面热/振联合试验测试,对于高超声速飞行器的安全可靠性设计极为重要。建立高温与振动复合试验环境,设法解决轻质多孔隔热材料在强振动下,表面温度难于准确测量与控制的难题,制作水冷式隔热装置保护价格昂贵的振动激励设备等,实现了1 500℃高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料的热/振联合试验。得到非金属隔热材料陶瓷纤维板内部的断裂形貌及裂纹断面特征。根据试验前、后材料的表观及微观变化以及内部结合剂的变化等试验结果,对材料进行改进。经过试验测试后,达到了使用要求。本文建立的1 500℃极端高温环境下的热/振联合试验系统及试验结果为远程高超声速飞行器热防护材料的抗振动能力评估、隔热效果确定以及材料性能的改进提供了重要支撑。     

气水分离器的修改设计与性能试验

本文是对航空发动机模拟试验台中的丝网分离器进行修改设计和试验工作的总结。着重叙述影响气水分离效率的重要参数——气流速度 V_D 的选择以及在结构上所做的改进,用试验方法验证设计达到了预期目的,并录取了分离效率与过网气速的关系曲线。     

烧结多孔结构的渗透和流阻特性研究

为研究粉末冶金多孔结构的渗透性和流阻,以空气和氢气为介质进行了实验.实验显示微孔内流雷诺数低于1时,介质流量与穿过多孔结构的压降呈线性关系;当内流雷诺数高于1时,其流量与压降呈非线性特征.分析表明:传统的堆积床经验关系式将低估氢气和空气在烧结材料微孔中的流阻;相反,高估烧结多孔结构的渗透性能.并用粉末烧结结构的氢气和空气渗透实验数据拟合了多孔结构渗透率及摩擦阻力关联式.      

超燃冲压发动机典型部件热防护

通过在电弧加热器上的试验考核,对进气道唇口前缘、注油支杆等发动机典型被动热防护部件的材料选择和热结构设计进行了研究.发展了主动冷却燃烧室热结构计算评估方法,将经过试验验证的热分析程序应用于燃烧室主动冷却结构的材料配置研究.材料C1和C2的进气道唇口前缘经过60s试验后情况良好;材料Z1的注油支杆经历50s试验后情况良好;将主动冷却燃烧室热分析计算程序应用于冷却面板试验,温度测量值与计算值最大相差55K,表明计算与试验符合较好,计算程序可为主动冷却燃烧室结构材料配置的设计研究提供可信的参考数据.研究所获得的经验和技术可应用于全流道超燃冲压发动机的设计与验证.      

直升机附件舱温度场的数值模拟

为考查某型直升机附件舱的热控制能力,采用有限元软件分析了其在强制冷却和自然冷却情况下的温度场分布.应用非结构化网格和有限体积法进行计算区域和控制方程的离散,采用标准k-ε模型封闭湍流控制方程.针对3种冷却系统设计方案,分析了不同冷却气流进口尺寸、相对位置以及不同附件散热量对附件舱温度分布的影响,计算了自然冷却情况下附件舱密闭时的温度场.计算和试验结果均表明,所采用的冷却方案可以满足附件舱冷却的需要.      

金属热防护系统多层隔热材料的稳态传热分析

采用能量平衡方程和两热流密度近似法建立了金属热防护系统多层隔热材料的稳态传热的数学模型,并利用测量多层隔热材料单元的有效导热系数的实验和遗传算法对纤维隔热材料的辐射衰减系数和隔热屏表面辐射发射系数这两个热物参数进行了优化,最后用实验测得的多层隔热材料的有效导热系数验证了采用优化后参数的多层隔热材料的稳态传热模型的正确性.