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。     

超燃冲压发动机冷却通道与燃烧室耦合传热数值研究

为深入分析再生冷却通道与燃烧室的耦合传热过程以及探究多因素作用下的主动冷却耦合传热特性,采用航空煤油单组分替代模型,对超声速燃烧与流动裂解耦合换热过程进行数值模拟研究。探究了裂解反应、冷却流量、当量比对耦合传热的影响。结果表明：燃料的喷注与燃烧产生的扰动会破坏波系并向隔离段传递,燃烧强度随着燃烧的当量比增加变得更加剧烈;相同条件下,裂解产生的换热量在冷却流量较小时不可忽略,而冷却流量增加会使裂解程度减弱,当冷却流量为4g/s时正癸烷基本全部裂解,而增加至8g/s时裂解率不到10%;当量比对冷却通道与燃烧室的耦合传热的影响有限,当量比由0.67增加至0.84时,冷却通道出口温度升高约5K,燃烧室内壁温只增加了30K。     

发动机燃烧室主动冷却管道的热-力耦合分析

为了准确高效地进行发动机冷却管道结构的热-力耦合数值分析,基于边界单元法提出一种冷却介质中结构对流换热过程的新型计算方法,计算过程中采用径向积分法将对流换热边界积分方程中的域积分转换为等效的边界积分,从而显著降低计算难度。采用改进后的边界单元法和有限元方法分别进行发动机燃烧室主动冷却管道处的热-力耦合分析,计算并获得了该处的温度场、位移场和应力场,发现了不同物理量随管道轴向的变化规律。通过比较基于两种不同数值方法的计算结果可以发现本文数值方法在显著降低计算模型复杂度的同时,取得了合理的计算结果。因此利用本文方法可以简便有效地进行发动机燃烧室主动冷却管道结构的热-力耦合分析。      

带主动冷却的超声速燃烧室传热分析

介绍了流体、固体传热耦合的一维分析方法,对带主动冷却系统的马赫数2.5超声速燃烧室进行了传热分析。该分析以实验测量的燃烧室壁面静压以及超临界煤油换热特性数据为基础,考虑了燃气的高温离解效应,燃烧特性以及碳氢燃料的高温热物理特性,对不同燃烧状态、冷却条件下的主动冷却过程进行了分析。结果表明有燃烧时壁面热流可高达1MW/m2以上,是无燃烧时的2～3倍。当煤油流量较小时(当量比为0.45),冷却后的壁面温度仍偏高,而且冷却壁内温度分布不均匀。随着煤油流量的增加,冷却效果明显提高,冷却壁内温度分布趋于均匀;并且煤油的出口温度也显著减小。     

复合材料主动冷却薄壁燃烧室设计分析

通过建立流固耦合传热模型,对不同尺寸冷却通道的主动冷却薄壁燃烧室结构瞬态传热特性进行数值模拟,给出了主动冷却燃烧室的瞬态温度场分布及其演化.再采用有限元法计算燃烧室的热应力和应变,从而揭示了冷却通道几何参数及内部煤油体积流量对燃烧室薄壁结构最高温度和热应力的影响规律.计算结果表明:在充分发挥煤油冷却效果前提下,冷却通道距离燃烧室内壁距离越近,所需煤油体积流量越大,而燃烧室结构热应力在10s左右达到最大值,设计时应着重考虑这段时间内的材料性能.      

点阵夹芯主动冷却结构发展现状与展望

点阵结构呈周期性规则形状,具有比强度高、比刚度高、轻质及换热效率高的特点,是当前国际上公认的具有广泛应用前景的结构。将点阵结构应用于主动冷却技术,形成点阵夹芯主动冷却结构是解决超燃冲压发动机热防护问题的有效手段。点阵结构的发展离不开制备工艺的进步,本文对传统机械加工工艺与增材制造技术用于点阵结构制备的原理与现状进行了综述,通过文献调研归纳总结点阵结构单元、设计尺寸以及与其他强化换热结构的协同作用对换热性能的影响;在此基础上分析点阵夹芯主动冷却结构在超燃冲压发动机中的潜在应用价值,针对其工程应用提出下一步的发展建议。     

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。     

碳氢燃料超燃冲压发动机进气道与燃烧室匹配性能试验研究

在模拟飞行马赫数Ma=6,高度25km条件的液体碳氢燃料超燃冲压发动机自由射流试验中,对比研究了4种不同进气道,不同燃烧室入口条件下模型发动机的点火与燃烧性能。试验结果表明几何内收缩比3的侧压式进气道的出口压强低而无法实现模型发动机的点火;进气道增加部分前体压缩,模型发动机则能够维持稳定燃烧,得到正推力;采用较高收缩比5.35的三维进气道的出口流场畸变程度较高,降低了隔离段抗反压的能力,会对燃烧性能产生很大影响,燃烧效率、发动机推力显著下降,甚至可能导致发动机熄火。不同长度的隔离段对比研究表明隔离段加长能够提高抗反压能力,有助于实现煤油分级燃烧,提高燃烧效率。     

碳氢燃料超燃冲压发动机油气涡轮做功能力评估

为了研究油气涡轮泵燃油供给系统中,碳氢燃料裂解油气的做功能力,以正癸烷为替代燃料,基于其裂解后的实验组分分析,发展了基于Soave-Redlich-Kwong(SRK)状态方程的真实气体裂解混合物的等熵焓降计算方法,并对油气涡轮的做功能力进行了分析和评估。研究表明,当膨胀起始温度为950K,膨胀起始压力超过3MPa,膨胀比为2时,裂解混合物的等熵焓降可达110kJ/kg,具备较强的做功能力。      

超燃冲压发动机燃烧室的燃烧特性

以一种低内阻光滑通道煤油超燃冲压发动机燃烧室为应用背景,采用有限差分法对燃烧室超声速流场进行了数值模拟.对流项采用3阶WENO（weighted essentially non-oscillatory）格式,湍流模型为SST（shear stress transport） k-ω模型,煤油（C₁₂H₂₃）/空气反应模型采用单步化学动力学模型.将燃烧室中沿侧壁的壁面静压的计算结果与实验结果进行了对比,结果符合良好,说明该算法适用于煤油超燃燃烧室计算. 研究了燃烧室来流静温、燃料/空气当量比和射流位置对煤油超声速流动与燃烧的影响.计算结果表明:燃烧集中在安装喷嘴一侧的壁面边界层附近,点火位置对当地静温非常敏感.随着来流静温降低、燃料/空气当量比减小和燃烧室扩张角增大,燃烧效率降低,燃烧性能下降,点火位置逐渐向燃烧室出口移动,燃烧放热形成的激波串结构消失.在燃烧室上、下壁面交错布置燃料喷嘴有利于提高燃烧效率.基于此,初步获得了光滑通道燃烧室内煤油点火燃烧的临界条件.      

考虑煤油裂解效应的超声速燃烧室再生冷却过程分析

为了分析宽马赫数飞行条件下超声速燃烧室再生冷却性能以及考虑燃料高温裂解效应对冷却的影响,发展了具有一定通用性的超声速燃烧室再生冷却系统气-固-液传热分析模型,对燃烧室内流、冷却剂流动以及冷却结构进行了气-固-液传热耦合计算.燃烧室内流计算模型无需实验测量的静压数据以及总温/释热分布假设,通过直接求解质量、动量、能量守恒微分方程并结合燃料混合及燃烧模型来获得内流参数分布.同时对燃烧室壁面传热进行了计算,将冷却结构内冷却剂的流动、换热与燃烧室内流耦合,并且着重考虑了煤油作为冷却剂,其物态随温度、压力变化以及高温时出现的热/催化裂解吸热化学反应.基于实验数据发展了煤油热/催化裂解总包反应模型,对煤油热裂解和催化裂解两种过程的化学吸热性能进行了对比,研究了热/催化裂解效应对再生冷却的影响.     

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。     

超临界态碳氢燃料流固耦合传热及热裂解的计算方法研究

为深入研究主动再生冷却机理,采用固体热传导方程和流体控制方程,建立了超临界态碳氢燃料耦合传热及热裂解的数值方法。对两种实验状态下电加热管内RP-3航空煤油的耦合传热及热裂解过程进行了计算研究,其中RP-3的热裂解反应由包含1个总体反应和23个二次反应的Modified Kumar-Kunzru反应机理模拟。两种状态下计算得到的外壁温、燃料温度、RP-3裂解率以及裂解产物分布与测量值的最大误差分别小于10%和15%。计算与实验结果吻合较好,表明建立的数值方法是准确的,可以作为研究超临界态碳氢燃料耦合传热及热裂解特性的有效计算分析工具。     

微通道传热用于火焰筒壁面冷却的性能

对微通道传热应用于航空发动机火焰筒冷却进行了探索。构造了简单微通道模型,其上下平面分别代表火焰筒内外壁面;用工程方法计算火焰筒壁面的热环境作为计算模型的边界条件,以Fluent为工具模拟微通道换热结构的冷却性能;涉及两种长径比(20,40)和三种火焰筒压降(2.0%,2.5%,3.0%)。结果表明,含有微通道换热结构的火焰筒,能以较少的冷却气量维持较低的壁面温度;冷却气流吸热后升温明显,冷量利用率可达40%;冷却气量受长径比影响显著,受火焰筒压降影响不大;火焰筒壁面沿流向的温度梯度非常大。     

基于传热与压力损失的气-水换热器耦合设计

针对换热器设计中如何合理兼顾传热效率和压力损失的难题,以矩形流通截面的燃气-水列管式换热器为对象,从理论上分析了设计参数之间的内在联系,揭示了换热面积与燃气流通面积、横向管间距、换热管直径之间的匹配关系,建立了基于压力损失和传热计算的耦合设计方法。这种方法已成功应用于某大型燃气冷却器的设计,也可供其它换热器设计时参考。     

旋转状态下蛇形通道内流动与换热的机理研究

在已有的实验研究结果的基础上,应用较好符合实验结果的数值模拟程序及划分网格方法,分别数值计算了旋转所产生的几个因素对流动与换热的影响机理。结果表明:由于在垂直于旋转半径截面上哥氏力分布的不均匀,产生了流体流型的两个变化,即主流的偏移和二次流动旋涡的出现。离心浮升力对通道内流动与换热的影响不大。旋转速度变化时,在旋转变化的起始时刻系统的角速度力对通道内流体的流动影响比较明显。各种力的作用综合效果不是简单线形迭加的,而是交替起主导作用,决定流体流动结构、影响换热结果。     

管壳式燃滑油散热器换热特性

管壳式燃滑油散热器换热特性直接影响航空发动机滑油系统的散热冷却能力,对滑油系统的热平衡建立至关重要。为了更准确地进行滑油系统热分析计算,优化滑油系统设计,必须掌握更为精确的燃滑油散热器换热特性的计算方法。在对散热器壳程的复杂流动进行分析的基础上,分别采用Kern法、Bell-Delaware法和分段模拟法计算换热特性,并通过试验结果验证计算准确度,经对比表明,将壳程换热按流动特性进行分段模拟计算的方法具有更高的准确度,满足滑油系统设计需要。     

烃类火箭燃料(煤油)传热试验

本文介绍了煤油传热试验结果及沉积物形成的速率,分析了烃类燃料的冷却特点。