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.      

碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲强度

考虑到点阵芯层的结构形式及杆单元以拉压为主的变形模式,基于连续介质等效理论,提出了一种全新的位移场假设,并以此编写了计算点阵夹芯复合材料屈曲强度的有限元程序.通过与不同试样的压缩试验的比较,对碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲行为进行了分析,并且验证了程序的有效性.同时,采用程序,讨论了点阵参数(包括杆单元长度、半径及倾斜角)对点阵夹芯复合材料结构屈曲强度的影响规律.结果表明:芯层体积分数相同的情况下,金字塔型和四面体型点阵夹芯结构的屈曲强度相差不大,后者略高.所得结论对点阵夹芯复合材料结构设计具有一定的指导意义.      

超燃冲压发动机燃烧室主动冷却设计研究

超燃冲压发动机燃烧室主动冷却模型制造和热考核试验的费用高昂、周期长,为了降低试验风险,采用三维计算和经济的验证试验相结合的方法开展了超燃冲压发动机燃烧室主动冷却设计。冷却结构基本参数设计和侧壁冷却流动设计是确定设计方案的两大基础,前者采用三维传热计算结合冷却面板传热验证试验完成,后者采用超临界燃料流动三维并行计算结合水流动验证试验完成。在此基础上,经过多轮的结构设计与三维传热及强度计算评估迭代,确定了最终的燃烧室主动冷却结构。设计的主动冷却燃烧室在来流马赫数2.5,总温1700K条件下成功通过200s热考核试验,表明所采用的设计方法、验证试验和计算工具是有效和可信的。     

超燃冲压发动机燃烧室新型热结构的优化设计

为了探寻超燃冲压发动机工程设计的方法,解决超燃冲压发动机燃烧室严峻的热防护问题,设计了一种基于碳化硅陶瓷基复合材料的复合结构形式的主动冷却结构方案;建立了超燃冲压发动机燃烧室热结构设计模型和燃烧室惰性质量估算模型;基于遗传算法,以热结构各层厚度、槽宽、肋宽和肋高为待优化参数,进行了单目标和多目标优化设计。以燃烧室惰性质量最小为目标进行优化设计后,惰性质量减少了21.7%,得到最小惰性质量下的热结构尺寸;以惰性质量最小、冷却液流量系数最低为目标进行优化设计后,得到了Pareto最优前沿及对应的热结构尺寸。     

冲压发动机高硅氧/酚醛燃烧室热防护层实验研究

高硅氧/酚醛树脂基复合材料具有成型工艺简单和成本低的特点,被广泛地应作固体火箭发动机的防热材料.为了探索高硅氧/酚醛树脂基复合材料应用于冲压发动机燃烧室被动热防护结构,对高硅氧/酚醛树脂基复合材料大尺度冲压发动机燃烧室热防护层进行了实验研究.研究结果表明,冲压发动机燃烧室热防护层能工作到300s,高硅氧/酚醛热防护层能够适应其恶劣的工作环境要求.同时,通过实验研究也表明,更长工作时间之后,由于冲压发动机燃烧室工作温度的不均匀,导致酚醛树脂基体的分解与增强的高硅氧纤维熔融不同步,且热解、碳化后的形态和性能都会发生较大的变化,由此会导致其尺寸收缩、力学性能降低、导热系数增加,更长时间工作容易产生裂纹、分层等问题.针对这些问题,提出了进一步研究的建议.本项研究对于发展成型工艺简单和成本低的冲压发动机燃烧室热防护结构具有重要的价值.     

氢动力冲压发动机冷却分析

在氢动力航空器上以低温燃料氢为冷却剂,对冲压发动机进行多级冷却,通过与以往的方案对比,确定了多级冷却加涡轮做功的方案,这种方案的优势在于不仅对发动机热部件提供了冷却,而且输出了功率。在此基础上进行数学建模,通过理论分析,推导出燃料热沉降率、燃料节省比以及输出功率三个参数与涡轮级数和总压比的关系。通过给定的状态,分析了各个参数的变化范围,由此确定出总压比和涡轮级数最优的参数选取,作为对新型氢燃料航空器冲压发动机的冷却系统设计的参考,以节省不必要的时间和技术浪费。     

主动冷却薄壁结构的通道布局与形状优化

针对基于传统分析方法的超然冲压发动机燃烧室主动冷却设计存在通用性差、周期长问题,采取子结构法建立主动冷却通道体胞的流固热多场耦合有限元模型,在与实验对比验证有限元模型有效性基础上,分析了结构质量和质量流率不变时通道数目对换热性能的影响;采用超椭圆方程描述通道截面形状,结合Kriging响应面和多目标遗传算法,开展了最小...     

碳纤维增强点阵夹芯结构的散热承载协同优化

在散热性能分析中,解析地给出了点阵夹芯结构的整体传热系数和等效压降,定义了散热性能指标.通过连续介质力学的方法和经典的层合理论,并通过串并联模型给出了碳纤维增强点阵夹芯结构整体的刚度特性.在满足既定的承载要求和一定的散热要求约束下,提出了一种对碳纤维增强点阵夹芯结构进行多功能优化设计的协同优化方法,在设计中采用了更符合工程实际的基于分枝定界法的混合离散优化方法,得到了夹芯结构质量函数的最小值,从而实现了轻质的目的.同时对不同结构形式的芯子做了相应的比较和分析,结果表明:金字塔型点阵夹芯结构在实现轻质的同时,具有较强的散热能力,而且承载能力更好,更为轻质高效.      

树脂基复合材料点阵结构的制造技术研究进展

树脂基复合材料点阵结构集点阵结构与复合材料优势于一体，是实现飞行器等高端装备结构轻量化、功能化与智能化的理想结构材料。然而，由于复合材料点阵结构的材料高度各向异性、结构跨尺度、几何拓扑构型复杂、多功能集成设计需求等特征，导致复合材料点阵结构的制造技术存在诸多难题与挑战。本文回顾了复合材料点阵结构的发展历程，重点围绕近年来国内外在制造技术方面的研究与突破，根据点阵芯体的核心成形工艺，在给出制造技术分类与优缺点分析的基础上，总结了影响点阵结构成形质量的关键工艺，进一步剖析了制约当前复合材料点阵结构制造技术发展的问题，最后对复合材料点阵结构制造领域的未来发展趋势进行了展望。     

固体火箭-冲压发动机的研究进展

固体火箭-冲压发动机兼有火箭发动机和冲压发动机的优点,它结构简单,能量高,可靠性好,非常适合于军事用途,具有广阔的应用前景.本文详细地讨论了这类推进系统及其主要组件的技术发展状况、贫氧推进剂、燃料流量控制、冲压燃烧室、助推和转级等技术,还讨论了将来的应用和研制发展的方向.     

网格阵列填充冷却通道内超临界正癸烷流动传热特性的数值研究

采用碳氢燃料冷却壁面是超燃冲压发动机常用主动冷却方式。为减轻主动冷却通道结构重量、提高冷却效率,本文探讨了以网格结构为填充的新型通道,从结构轻质化、流动特性及综合传热能力等方面与常规矩形主动冷却通道进行了比较。结果表明,在相同工况下,由错排网格填充的冷却通道结构综合性能最佳,其减重效果达39.93%,壁面温度显著下降,且努塞尔数最高达到光通道的2.156倍。从流动传热机理分析可看出,网格前缘冲击效应形成的马蹄涡和后缘附近发卡涡结构对强化传热贡献最大,扰动边界层和激发湍动能也是强化传热的重要因素。     

Review on active thermal protection and its heat transfer for airbreathing hypersonic vehicles

Hypersonic vehicles with turbojet, ramjet, and scramjet engines are expected to be widely applied to future transportation systems. Due to high-speed flight in the atmosphere, body outer surfaces suffer strong aerodynamic heating, and on the other hand, combustion chamber inter walls are under extremely high temperature and heat flux. Therefore, more efficient and stable active cooling technologies are required in hypersonic vehicles, such as regenerative cooling, film cooling, and transpiration cooling, as well as their combinations. This paper presents a comprehensive literature review on three active cooling methods, i.e., regenerative cooling, film cooling, and transpiration cooling, and deeply analyzes the mechanism of each cooling method, including the fluids flow, heat transfer, and thermal cracking characteristics of different hydrocarbon fuels in regenerative cooling, the heat transfer and flow mechanism of film cooling under supersonic mainstream conditions, and the heat transfer and flow mechanism of transpiration cooling.     

超临界压力下航空煤油流动与传热特性试验

本文针对超燃冲压发动机再生冷却系统运行条件,实验研究了大庆RP-3煤油在超临界压力下的流动和传热特性,目的在于研究煤油在各种工况下的流动参数变化以及对流传热规律。煤油通过二级煤油加热/输运系统加热,试验的煤油压力约2.6M～5.0MPa,油温约300～800K。相应的壁面热流密度为10～300kW/m2。通过油温与壁温的同步测量,结合非定常传热分析,获得了超临界压力下、亚/超临界温度范围内煤油的流动和传热物理参量的变化曲线。     

再生冷却超燃冲压发动机传热计算分析与试验

为了计算评估再生冷却超燃冲压发动机的传热特性,并确认计算结果可信,结合固壁三维热传导方程、三维燃气流场计算软件平台和燃油物性计算程序,发展了能对再生冷却超燃冲压发动机进行三维热分析的计算程序;将水冷和油冷通道传热试验、再生冷却超燃冲压发动机传热试验和燃油冷却面板传热特性试验的测量值与计算数据进行对比研究,计算结果与测量值符合较好。     

基于点阵和 TPMS 结构的电子器件散热器性能数值模拟研究

随着电子器件集成度显著提高,散热问题愈加突出,为保证电子器件正常工作,对散热器的性能要求愈发严苛,目前强制风冷是最普遍的散热方式,针对传统风冷散热器的翅片结构具有换热面积小、对流换热系数低等缺陷,提出 SC-BCC 点阵和三周期极小曲面(TPMS,W型)2种翅片结构风冷散热器,并对其传热性能开展了数值模拟研究。采用体积平均尺度(REV)数值仿真模型,对大尺寸风冷散热器进行传热性能研究具有较高可靠性,可大幅节省计算资源与成本。数值计算结果显示:在相同孔隙率和人口速度条件下,SC-BCC结构的乐降比 TPMS 结构高27.2%,热流量比TPMS 结构高6.7%。该结果表明在对传热性能需求较高而可接受压降范围较大的情况下可选择点阵结构,相反可选择 TPMS 结构。     

基于高温热管的超燃燃烧室热防护结构

提出了基于先进热管理思想的燃烧室热防护结构.面板采用腔体式平板高温热管,实现面板等温化,降低局部高温区的温度;在热管腔体内部设计燃油冷却通道,实现对超燃燃烧室面板的燃油主动冷却.对其各项性能进行了数值分析,给出了设计参数对系统性能的影响规律,并完成了结构样件研制及石英灯试验考核.典型设计状态下,其单位面积质量为无氧铜面板的35.4%,高温合金面板的38.2%.石英灯局部加热条件下,面板最高温度为1123K时最大温差为80K.相比于传统燃油冷却方式,该型防热结构能够有效提高超燃发动机燃烧室热防护的整体性能,是超燃发动机热防护的一种重要概念.      

A power and thermal management system for long endurance hypersonic vehicle

Due to the pneumatic heating and combustion effect, the scramjet engine of hypersonic vehicle faces high temperature challenge. It is necessary to comprehensively consider its thermal management and power generation together. A new Power and Thermal Management System (PTMS) combined with Supercritical Carbon Dioxide (SCO₂) closed Brayton cycle and fuel vapor turbine is proposed and discussed in this paper. The new PTMS can meet the cooling requirement of hypersonic vehicle at Mach number 6–7, and avoid the coking and scrapping in the scramjet cooling channels. Compared with the PTMS only based on fuel vapor turbine, the new PTMS utilizes the waste heat of scramjet to generate more electricity. In addition, it can reduce the use of fuel sink for cooling, and the additional weight penalty can be compensated for long endurance hypersonic flight.     

凹坑强化传热的研究进展回顾

基于涡流发生的凹坑强化换热是一种新型高效的强化换热和冷却技术,其主要特点是传热强度大,流动阻力小,综合传热性能高.通过近十年来凹坑强化换热研究工作的回顾,介绍凹坑壁面的换热阻力特性和涡流结构,并讨论凹坑形状、深度和雷诺数等参数的影响.通过介绍凹坑在旋转通道、圆管和冲击耙面等不同情况下的换热阻力特性,以及与肋等的综合传热性能对比,旨在说明凹坑是一种很具潜力的新型强化换热结构,具有十分广泛的应用前景.      

超燃冲压发动机再生冷却U型通道的热传导模型研究

本文主要对超燃冲压发动机再生冷却通道进行了设计和改良。首先提出U型冷却通道这种往返式流道的通道结构,并针对传统的同向流道和U型通道分别进行了一维程序建模,对比了两种通道的优劣。并针对U型通道进行了不同高宽比对肋间传热影响的讨论和改变通道截面积以提升通道整体冷却效果的研究。研究表明：U型通道能较明显的降低燃烧室壁面的局部高温,使得整体温度分布更加均匀;适当增加高宽比,可增加肋间壁面的传热,使通道两侧温度差拉低;适当减小高宽比,可增加底壁面的传热,使局部燃烧室壁温降低;渐变通道截面积的设计方案,对解决通道出口区域燃烧室壁温过高,起到了明显的改善作用。