旋流燃烧室对固体燃料冲压发动机药柱表面传热以及燃速的影响

为研究旋流燃烧室对固体燃料冲压发动机(SFRJ)药柱表面传热以及燃速的影响,以高密度聚乙烯(HDPE)为燃料,对旋流和无旋工况下的固体燃料冲压发动机进行了连管实验研究,并且编制了二维轴对称湍流燃烧仿真程序,采用流固耦合传热的方法以及非定常时间推进方式,对实验工况进行了数值模拟。结果表明:①药柱表面热流密度对燃速有显著影响,在回流区与附着点处,药柱表面的对流换热能力要明显优于再发展区;②在旋流工况下,在离心力与切向速度的作用下,使热解产物在药柱表面附近区域停留时间更长,有助于热解产物的充分反应,并且明显增强药柱表面对流换热能力,与无旋工况相比,提高幅度可达100%,并且在旋流工况下发动机可更快建立自持燃烧;③通过实验研究发现,旋流的引入提高发动机的燃速有积极作用,增幅可达26%,但会导致固体燃料冲压发动机补燃室压强出现周期性振荡。      

固液发动机实验燃烧器的气固耦合传热计算

针对固液火箭发动机中复杂的燃烧、传热过程,在FLUENT软件的平台上,采用气固耦合传热计算的方法模拟了二维扩散燃烧实验器中的温度、组分分布,并利用动网格方法模拟了固体燃面的不规则热解退移。稳态流场计算的结果和燃面动态退移情况都验证了扩散火焰距燃面的距离和燃面上方主流流速是影响退移速率的主要因素。此方法可以较好地模拟固液火箭发动机中复杂的非定常传热和燃面退移过程,较准确地预示固液发动机的内弹道性能。     

某型飞机发动机短舱热气防冰系统性能数值模拟

使用三维内外强固传热耦合方法计算校核发动机短舱热气防冰系统的性能,并分析发动机进气流量对蒙皮表面温度的影响.内、外部表面传热系数计算均采用纯三维的CFD方法,在内、外部网格数据交互时使用了距离加权反比插值法.通过计算获得发动机短舱的局部水收集系数、蒙皮表面温度的分布情况、各处溢流水量,并由此判定此防冰系统性能是否达到要求.分析表明此发动机短舱热气防冰系统符合防冰性能要求;当发动机进气流量增大时,蒙皮表面温度下降,且溢流水量增加.     

固液火箭发动机中燃料热解速率的测量与分析

固液火箭发动机中,内弹道的计算、流场与性能分析等都需要确定燃料表面的退移速度,常规的热重分析、差热分析因升温速率太慢,与发动机环境的高升温速率差别很大,得到的热解速率误差大。采用了热板实验装置测量高升温速率环境下的固体燃料退移速率。采用高速摄影和超声波传感器进行动态测量,对比了摄影测量和超声波测量的结果,得到了超声波测量得到了热解过程中的退移速率与低密度聚乙烯表面温度的关系。     

带有中心钝体的固体燃料冲压发动机工作性能分析

为提高固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能,提出了带有中心钝体的固体燃料冲压发动机方案,基于雷诺转捩和涡概念耗散方程建立了其湍流燃烧模型,并数值计算分析了其内流场、燃面退移速率、推力与总压损失。结果表明：带有中心钝体的冲压发动机内部流动过程较为复杂,钝体后部有四个漩涡,增强了发动机内来流空气与燃气的掺混;钝体孔隙中的高速气流与两侧的小尺度漩涡保证了钝体尾涡的稳定性;与普通固体燃料冲压发动机相比,在燃烧室中增加中心钝体能增大燃烧室内高温区面积,提高补燃室内温度,可使推进剂平均燃面退移速率提高26.11%,发动机推力提高22.12%,燃烧效率提高8.9%。     

涡轮冲压组合发动机燃油系统温升仿真研究

为了实现涡轮冲压组合发动机(简称组合发动机)燃油系统温升仿真计算,基于Flowmaster软件平台首次建立了组合发动机燃油系统温升仿真计算模型,为提高精度,根据试验数据自定义了航空煤油随温度压力变化的物性模块代替软件内置物性模块,基于此进行仿真计算得到不同工作模态下燃油系统温升情况。计算结果表明:涡轮模态工况下自定义物性模块计算得到的主要节点温升与软件内置物性模块相比总体偏低,且压力变化越大计算结果偏差越大;模态转换期间各子燃油系统流量迅速变化对燃油温度影响十分显著;冲压模态工况下燃油流量为2.68倍主燃烧室燃油流量时,可承受的最大发动机热负荷为400kW,最大飞行马赫数为5。实现了对发动机燃烧室入口燃油温度的预测和评估。     

HTPB固体燃料冲压发动机流场仿真与燃速分析

基于守恒方程建立了固体燃料冲压发动机燃速仿真模型,采用二维轴对称模型和二方程化学反应模型开展了HTPB(端羟基聚丁二烯)固体燃料冲压发动机流场数值仿真,分析了不同空气来流条件对流场分布及燃速的影响.结果表明:火焰层在氧气和固体燃料壁面之间形成,随着来流空气流量和空气总温的增加,火焰层厚度变薄并向固体燃料壁面侧移动;随着发动机轴向位置的增加,燃速先迅速增加后缓慢增加,最后在补燃室附近快速减小,变化趋势与文献中试验结果吻合较好;固体燃料平均燃速随来流空气总温及发动内空气流率的增加而增大,并根据仿真结果拟合得到了燃速公式.      

Thermal state calculation of chamber in small thrust liquid rocket engine for steady state pulsed mode

This paper presents a method of thermal state calculation of combustion chamber in small thrust liquid rocket engine. The goal is to predict the thermal state of chamber wall by using basic parameters of engine: thrust level, propellants, chamber pressure, injection pattern, film cooling parameters, material of wall and their coating, etc. The difficulties in modeling the startup and shutdown processes of thrusters lie in the fact that there are the conjugated physical processes occurring at various parameters for non-design conditions. A mathematical model to predict the thermal state of the combustion chamber for different engine operation modes is developed. To simulate the startup and shutdown processes, a quasi-steady approach is applied by replacing the transient process with time-variant operating parameters of steady-state processes. The mathematical model is based on several principles and data commonly used for heat transfer modeling: geometry of flow part, gas dynamics of flow, thermodynamics of propellants and combustion spices, convective and radiation heat flows, conjugated heat transfer between hot gas and wall, and transient approach for calculation of thermal state of construction. Calculations of the thermal state of the combustion chamber in single-turn-on mode show good convergence with the experimental results. The results of pulsed modes indicate a large temperature gradient on the internal wall surface of the chamber between pulses and the thermal state of the wall strongly depends on the pulse duration and the interval.     

混合火箭发动机燃料退移特性的数值计算

混合火箭发动机在航天推进领域优势明显,但由于氧化剂和燃料相态不同,燃料退移的机理和特性比较复杂。采用自行编写的混合火箭发动机程序(HRM)模拟了这种发动机的非稳态工作过程。通过该程序实时数值求解了从氧化剂注入端到尾喷管的全部物理化学过程,并基于燃料表面上气固间的质量和能量耦合,运用燃料表面动态退移和两步计算方法,模拟了燃料退移。在与发动机推力和燃料退移量等实验数据对比的基础上,给出了燃料退移速率方程和燃料退移速率随燃烧室直径的变化规律,确定并分析了影响混合火箭发动机尺度效应的因素。     

水冲压发动机试验水燃比选择方法

 水燃比是水冲压发动机的重要工作参数。水燃比过大易造成内流场温度降低,实际工作中低温可能引起水蒸汽液化和金属/水反应停止,以致降低发动机性能。为减少这类情况的出现,针对两次进水的水冲压发动机,提出了试验总水燃比及一、二次水燃比选择方法。该方法以发动机热力计算的最优理论水燃比为基础,考虑试验过程中实际热损失的影响对其进行了修正。针对不同水燃比的影响,对某型试验水冲压发动机进行了地面直连试验研究,结果显示存在最佳总水燃比及一次水燃比使发动机性能达到最优,同时证明了该水燃比选择方法合理可行。     

风兜面积对气冷喷油杆性能影响的数值研究

以某型涡扇发动机加力燃烧室气冷喷油杆为研究对象,在梯形截面的风兜下底和高度不变的情况下,通过改变上底长度得到一系列不同风兜面积的几何模型,综合考虑外流场对气冷喷油杆内部流动和换热特性的影响,对其在巡航状态下进行了流/热/固耦合三维数值模拟研究,获得了不同风兜面积对气冷喷油杆引气率、冷却空气喷口流量分布、壁面平均冷却效果、壁面最高温度的影响规律.结果表明:引气率随风兜面积增大线性增大;喷油嘴凸台周围冷却空气喷口的流量沿气冷喷油杆内冷却空气流向呈二次曲线规律变化,且随风兜面积增大分布趋于均匀;随风兜面积增大,喷油杆、隔热套壁面平均冷却效果线性增大,壁面最高温度降低;有效抑制内涵高温燃气倒灌进入隔热套是避免喷油杆局部高温的关键.      

热交换对喷气发动机过渡过程影响分析

给出一种用于估算气流与零部件间热交换对过渡过程影响的方法。利用该方法计算了某双轴涡扇发动机在加速过程中各主要零部件与气流间的热交换随加速时间的变化，各部件热交换对推力响应的影响；计算和分析了该发动机在相同供油规律下“冷”和“热”两种加速过程，估算了典型部件换热面积和质量对加速性的影响。计算结果的分析表明：高温部件与气流的热交换对喷气发动机的过渡过程有不容忽视的影响；相同供油规律下由于热交换使“冷”和“热”加速过程的差异十分显著，“冷”加速过程允许采用补偿供油改善加速性；零部件换热面积和质量的估算精度对加速性有一定的影响，但不显著。     

固体燃料超燃冲压发动机燃速研究进展

对固体燃料超燃冲压发动机燃烧面退移速率（简称燃速）研究现状和进展进行了详细阐述,分别从固体燃料类型、燃烧室构型、理论预估模型、数值模拟及实验研究等方面出发,论述了固体燃料在超声速流动下燃速研究的进展和难点;从亚燃冲压发动机、热防护层、富氧环境下绝热层烧蚀3个方面提炼出可以用于超燃冲压发动机燃速研究的经验和方法:①提出了加强针对固体燃料超声速流动中受热行为、传热传质过程的研究方向;②深入探索了固体超燃燃速性质;③开发了对应的数值软件及系统地进行实验等观点,为国内该领域的研究提供参考.      

双螺杆固液混合燃料输送系统设计与实验研究

固液燃料混合推进是航天推进系统的重要环节,液体发动机燃料热熵低,为了提高火箭或导弹的续航能力,结合固体粉末燃料热熵高的特点,采取了固液混合燃烧的策略,进而提高发动机燃料的热熵,增加发动机的续航里程。本文根据齿轮啮合原理,对关键结构双螺杆齿形展开修形设计,建立了流道三维模型和仿真模型;在齿形设计的基础上,围绕固液混合均匀、变比例输送开展固液混输系统集成设计,完成整机的加工、装配、调试,搭建实验平台,建立液压测试系统,开展实验。结果表明,设计的两相流泵实现了固液两相物料的混合输送,实现了固液燃料变流量、变比例、变出口压力的均匀混合效果。该小型燃料泵能够实现出口流量30 ~ 600L/h、出口压力0 ~ 900kPa、固液混合比例0% ~ 10%的固液混输,且混输效果良好,研究结构可供设计变推力火箭发动机参考。     

飞机燃油系统热管理研究

为了充分利用飞机所载燃油作为冷源来冷却飞机的其他机载设备与系统,发挥燃油的最大使用效益,提出了飞机燃油系统热管理.通过对飞机燃油系统中流体网络的关键部件燃油增压泵、液动涡轮泵和管网进行数学建模以求解流体网络各节点的流量、压力、温度和热损失,从而能预测出各种情况下换热器前的燃油入口温度和进入飞机发动机前的燃油温度.研究内容可为飞机燃油这一冷源的综合利用及飞机燃油系统的热管理提供科学依据.      

Correlations to include heat transfer in gas turbine performance calculations

A modern technique is presented to include heat transfer in modular gas turbine performance calculation programs. The basically new idea is to use heat transfer correlations which present the non-dimensional heat flow in engine components dependent on the most relevant parameters of the working fluid. These are the Biot numbers in steady-state operation whereas in transient operation the Fourier number describes the additional time dependency of the heat transfer process. This integral approach to model heat transfer without describing the local phenomena in detail perfectly matches the techniques which are usually applied in performance calculation procedures. The general representation of non-dimensional heat flow is derived with a strictly theoretical approach on the basis of the governing physical relations. As an example for a more realistic engine component, the representation for turbines is derived and the resulting correlations are discussed in detail.The non-adiabatic performance calculation procedure using heat transfer correlations is applied to a twin-spool bypass engine. The results show the typical behavior in the phase of thermal stabilization after an acceleration which is known from the open literature.     

流固网络一体化模拟方法探索及应用

推导了一种新的流体网络与固体网络一体化模拟方法编成程序应用到航空发动机空气系统及沿程固体域的温度、压力、流量预测中.该方法将模拟系统简化为节点和元件组成的网络,节点和元件处建立守恒方程,应用新的方法将流体和固体网络统一求解.程序应用到有参考结果的算例中得到验证,验证后的程序被应用到某预研航空发动机涡轮盘的流场和温度场预测中,为工程设计提供了有用的参考.      

催化重整条件下碳氢燃料热裂解与换热

针对碳氢燃料在再生冷却通道内的热裂解和催化重整反应过程,考虑燃料在超临界压力下的热物性,建立了超临界压力下的流动、换热和反应模型,开展了流动换热、热裂解和催化重整反应的耦合数值研究。结果表明:计算结果与实验吻合良好,能较为准确地预测壁面和燃油温度、燃料转化率和换热恶化等现象。催化重整反应能显著提高燃料的吸热能力,降低出口温度,同时还能抑制热裂解反应的发生。增大流量会降低燃料在通道内的停留时间,降低燃料的转化率和化学反应吸热量。      

First Mars outpost power systems

Research into potential power systems for the First Mars Outpost (FMO) was performed. The author examined a representative mission architecture which was developed by NASA to determine power system requirements. Power system options including nuclear, isotope, photovoltaic (PV), chemical heat engine, and regenerative fuel cell (RFC) concepts were identified for potential Mars surface applications. A top-level characterization study was conducted to determine power system mass and area for each application. It is seen that PV systems are generally not suited for Mars surface applications due to the large surface area required and higher mass than a closed Brayton cycle SP100 reactor system. A reactor is currently being considered by NASA Lewis Research Center to provide power for base architectures including an ISRU (in situ resource utilization). An oxygen/methane powered heat engine would provide 40 kWe of emergency power for the habitat. A dynamic isotope power system (DIPS) is the current choice for a long-duration pressurized rover due to the excessive size of a PV/RFC system and higher mass of a heat engine system. DIPS has advantages for other low power systems due to its neatly immediate availability and flexibility (night or day power; no recharging required)     

航空发动机加力燃油流量寻优控制方法

为了实现带加力航空涡扇发动机最大推力寻优,作为途径之一,提出了一种新的加力燃油流量寻优控制方法。在常规开环的加力燃油流量控制计划的基础上,叠加一个闭环的寻优修正,以余气系数、加力燃烧室出口温度、喷口面积等参数为约束条件,并给出了不可测约束参数的解析计算方法以及解析余度校验方法。以某航空发动机动态模型为例进行了寻优控制方法的仿真验证,结果表明,采用新的加力燃油寻优控制方法,在包线范围内平均可以将发动机最大推力提高6%左右,并具备较好的寻优控制安全性。