超声速气流中复杂冷却结构的传热分析方法

针对应用于高超声速吸气式发动机中的复杂再生冷却结构,为了更好地对其进行传热性能评估,在充分借鉴液体火箭发动机传热分析方法的基础上,集成多种成熟高效的技术,建立了一种解耦的传热分析方法。该方法首先借助计算流体力学技术确定结构件工作的热环境,提取必要的参数后依据半经验关系式确定气侧的换热边界条件;然后,通过将冷却流动假设成一维流动,根据换热准则确定液侧的换热边界;最后,对冷却结构进行有限单元离散,计算传热过程,获得温度场特征。该方法将换热与导热过程解耦,降低了研究问题的复杂性,适用于复杂构型的热防护设计。通过后掠尖缘再生冷却支板的热防护试验,证实了传热分析方法的可靠性,且显示算法对本例的预测误差约在8%左右。     

逆向进气复合角发散冷却孔流量系数试验

针对回流燃烧室外环壁面冷气与燃气流动方向相反的情况,试验研究了发散孔进气方向与环腔通道气流流动方向相反的条件下,复合角发散冷却孔流量系数随发散孔倾角(25°~55°)、偏角(90°~180°)及压降系数等参数的变化规律。研究结果表明:复合角发散孔的流量系数随倾角的增大而增大,随偏角的增大而减小;随着压降系数的增大,复合角发散孔的流量系数先呈近似线性增长,当压降系数大于0.95后,呈非线性增长且增长速度减缓。      

利用W型槽提高气膜冷却效率机理

为了探讨圆柱孔出口开有W型槽结构的气膜冷却机理,数值模拟研究了W型槽与横向槽下游流场、温度场及气膜冷却效率。分析了W型槽深度对气膜冷却效率的影响。结果表明:相比于横向槽,W型槽结构展向平均气膜冷却效率提高70%～130%。随着W型槽深度增加,气膜孔出口下游的对漩涡减弱,两侧的附加漩涡增强,最终形成一对反向对漩涡。小吹风比0.5时,三种W型槽深结构的展向平均气膜冷却效率差别小于8%;大吹风比1.5时,槽深0.5D(D为气膜孔孔径)结构展向平均气膜冷却效率高于槽深0.25D结构的展向平均气膜冷却效率75%～150%。槽深0.5D和0.75D结构的展向平均气膜冷却效率基本相同,差别小于3%。     

高压涡轮导叶冷却结构对热应变特性的影响

为了研究燃气轮机起动过程中导叶冷却结构对热应变特性的影响,基于气热耦合的方法,对具有尾缘劈缝冷却结构和叶根排气冷却结构的高压涡轮导叶热应变特性进行数值研究。通过研究导叶的气动特性和传热特性,计算获得导叶表面的对流换热系数,并以换热系数作为热边界条件进行热-结构耦合求解,得到导叶在燃气轮机起动过程中的瞬态热应变场。研究结果表明:燃气轮机起动的前10s以及50s之后,冷却结构对导叶热应变影响较大;劈缝结构导叶的最大热应变比叶根排气结构最大热应变大47%;叶根排气结构热应变特性更优于尾缘劈缝结构。     

塞锥气膜冷却对二元塞式喷管红外特征的影响

为了研究二元塞式喷管塞锥壁面多斜孔气膜冷却对喷管红外特征的影响,设计了带冷却结构的喷管试验模型,测量了吹风比从0增加到1时的塞锥壁面温度、喷管出口截面处喷流温度以及喷管红外辐射强度.结果表明：随着吹风比的增加,气膜冷却效率逐渐提高,最大达到0.68;喷管出口截面在中心区域喷流的温度逐渐降低,最大降幅为14%;喷管红外辐射强度逐渐降低,在0°方位角上最大降低52.8%,在90°方位角上最大降低13%.     

冲击距与气膜孔方位角对旋流气膜冷却性能影响

为了获得冲击距Hi与气膜孔方位角α对旋流气膜冷却性能的影响规律,以六边形供气腔圆形气膜孔平板气膜冷却结构为研究对象,对五种冲击距参数(0.74D,1.14D,1.54D,1.94D,2.34D)(D为气膜孔直径)和五种气膜孔方位角参数(0°,10°,15°,20°,25°)进行了三维数值计算研究,得到了绝热壁面气膜冷却效率、展向平均气膜冷却效率、流场空间无量纲浓度分布等随冲击距与气膜孔方位角的变化规律,分析了肾形涡对旋流气膜冷却性能的影响机理。结果表明:冲击距对绝热壁面气膜冷却效率展向分布规律影响不大,而方位角增加能够明显提高绝热壁面气膜冷却效率及展向气膜覆盖面积,方位角0°模型展向气膜冷却效率最大值为0.42,方位角25°模型的最大值为0.48,相比前者增加14.3%;绝热壁面同一流向位置的展向平均气膜冷却效率随冲击距的增加而增大,随方位角的增加而增大,Hi=2.34D时的展向平均气膜冷却效率最佳,α=20°时的展向平均气膜冷却效率曲线最佳。方位角的增加能够明显破坏流场中存在的肾形涡结构。     

液体火箭发动机推力室壁瞬态加载三维热结构分析

为了预测再生冷却液体火箭发动机推力室壁的应变分布,研究内壁失效机理,使用有限元法对推力室壁进行了三维瞬态热分析,在瞬态热分析结果的基础上采用多线性随动硬化模型对推力室壁进行了三维弹塑性结构分析。计算结果表明,多线性随动硬化模型能够准确地模拟推力室内壁材料的应力-应变关系;内壁温度达到稳态的时间相比外壁要短得多,在预冷、试车和后冷开始约0.1s后内壁温度便已经接近稳态;瞬态加载三维热结构分析能够确定推力室内壁最先失效的危险点的位置在喉部上游冷却通道中心;推力室壁瞬态加载三维热结构分析得到的最大残余应变比稳态加载大15.7%。     

旋转状态下抑涡孔气膜冷却性能的实验研究

为了获得旋转状态下抑涡孔的冷却性能,用稳态液晶测温的方法,对两种抑涡孔在吸力面和压力面上进行实验研究,分析吹风比和铺孔位置对气膜覆盖范围和气膜冷却效率的影响并与单个圆孔进行对比。实验参数为:转速600r/min,主流雷诺数3370,吹风比M从0.3到2.5。研究表明:两种平行式抑涡孔均具有优异的气膜冷却性能,相比单个圆孔,其气膜覆盖范围和冷却效率在吸力面和压力面均得到大幅提高;铺孔位置会对抑涡孔冷却性能产生重要影响,上游抑涡孔在M1.5时表现最优,中游抑涡孔则具有很好的吹风比适应性,在M=2.5时表现最优;吸力面气膜覆盖范围和冷却效率均低于压力面,并且偏转趋势更明显。     

再生冷却推力室热障涂层系统的热结构分析

为了设计和优化适用于液体火箭发动机推力室的热障涂层,应用ANSYS的热-结构分析功能,对再生冷却推力室-热障涂层系统进行了热结构有限元分析,得到在不同涂层覆盖下,推力室壁中的温度场和应变场,并通过对热障涂层中应变场的分析,研究不同涂层发生分层剥落的关键位置以及主要驱动力。结果表明,陶瓷层厚度较大的YSZ+Ni Cr Al Y涂层拥有更优异的性能,使推力室壁在热试阶段的最大应变量减少约36.1%;工作循环中,涂层与推力室壁的接触面上会产生较大的应变量,最终有可能导致涂层剥落失效;粘结层能缓解涂层与推力室壁间的热膨胀系数不匹配,使陶瓷层在热试阶段的最大应变量减少约80%。     

热冲击后气膜冷却叶片结构强度流固热耦合仿真

研究了冷气流量对气孔周围热应力的影响,为气膜冷却叶片可靠性设计提供参考。改变气孔的孔径,并建立有限元模型,结合有限元/边界元理论,通过流固热三场耦合技术获得热冲击后的叶片最大温度、温度不均衡程度及最大热应力。研究表明:增加冷气量有利于改善叶片冷却效率降低叶片温度,但也会使叶片温度不均衡程度增加,加剧尾缘气孔内的热应力载荷;增加前缘气孔直径可提升66%的平均冷却效率,有利于减缓气孔内的热应力,增加尾缘气孔的直径对冷却效率及热应力的影响均较小。此外,数值计算结果与试验及解析解较为吻合,对于气膜冷却叶片结构设计具有参考价值。