Thermal-structural analysis of regenerativelycooled thrust chamber wall in reusable LOX/Methane rocket engines

To predict the thermal and structural responses of the thrust chamber wall under cyclic work,a 3-D fluid-structural coupling computational methodology is developed.The thermal and mechanical loads are determined by a validated 3-D finite volume fluid-thermal coupling computational method.With the specified loads,the nonlinear thermal-structural finite element analysis is applied to obtaining the 3-D thermal and structural responses.The Chaboche nonlinear kinematic hardening model calibrated by experimental data is adopted to predict the cyclic plastic behavior of the inner wall.The methodology is further applied to the thrust chamber of LOX/Methane rocket engines.The results show that both the maximum temperature at hot run phase and the maximum circumferential residual strain of the inner wall appear at the convergent part of the chamber.Struc tural analysis for multiple work cycles reveals that the failure of the inner wall may be controlled by the low-cycle fatigue when the Chaboche model parameter γ3 =0,and the damage caused by the thermal-mechanical ratcheting of the inner wall cannot be ignored when γ3 ＞ 0.The results of sen sitivity analysis indicate that mechanical loads have a strong influence on the strains in the inner wall.     

等温锻造对Ti-17粉末合金显微组织的影响

采用烧结 等温锻造的方法制备Ti-17粉末合金,对粉末合金制备过程中各工序的密度、显微组织变化规律等进行了试验研究.试验结果表明:经相同条件烧结后,-140目粉末烧结棒材和-80/ 140目粉末烧结棒材分别达到理论密度的98.06%和93.55%,在-80/ 140目粉末烧结棒材显微组织中观察到有大量的残留空隙存在.采用高低温等温锻造工艺能够有效去除粉末合金烧结后残留的空隙,提高合金的密度,使合金的显微组织得到显著细化和均匀化.烧结 等温锻造是制备优质粉末钛合金的有效方法.     

基于切削热-力耦合效应的表面强化技术及其工艺试验研究

经过对超高强度钢工件高速切削加工表面质量的系统研究,发现在某种特定的切削条件下,工件表面质量将会发生显著改变.该变化不仅表现为表面特征的大幅改善,如表面粗糙度可以控制在0.4μm以下,无宏观裂纹发生等,还表现为表层及次表层显微硬度的明显提高、最大残余压应力深度的大幅增加(达到0.35 mm)以及表面耐磨性能的显著增强等.研究结果表明,合理的切削工艺将极有可能成为一种能够在获得工件结构形状与精度指标的同时,对加工表面表层、次表层的组织特性与工件使用性能产生积极影响的表面强化手段.     

变截面U形通道内肋高对换热特性影响的实验

采用实验方法研究了在定常状态下, 肋的高度对横肋变截面U形通道内的换热特性的影响。通道内肋间距为15 mm, 肋的宽度均为2 mm, 肋的高度分别为1, 1.5, 2 mm和2.5 mm。雷诺数在12 000到56 000之间变化, 采用单元分析法, 以相同形状的无肋通道作为基准, 研究了肋的高度对肋间距为15 mm通道的换热效果及阻力影响, 得到了包括几何参数在内的经验关联式。结果表明, 有肋的通道换热都得到了增强;肋高度的变化对变截面蛇形通道换热的影响不是单调的, 而是呈多峰分布;肋的高度对阻力系数的影响却是随着肋高的增大而增大的。      

学科间载荷参数空间插值传递方法

针对多学科优化分析中面面耦合学科网格间载荷传递的问题, 提出了在参数空间中的三次函数插值传递方法.该方法将三维空间的源学科载荷点投影到二维参数空间平面上, 用三次插值函数对目标点载荷进行计算.此方法解决了叶片表面弯曲对载荷传递精度的影响.某涡轮叶片温度传递的结果表明本文的方法具有很高的精度.      

轴对称推力矢量喷管载荷变形的控制补偿

研究了温度场和气动载荷联合作用下的轴对称矢量喷管出口面积和偏转角度误差的补偿问题.建立了扩张调节片位姿参数与其悬挂机构尺度之间的关系,导出了悬挂机构关节角位移增量与构件长度增量之间的微分方程,得到喷管出口面积误差和矢量偏转角误差与负载变形之间的解析表达式.利用矢量偏转角度和面积与轴对称矢量喷管转向驱动机构动平台位姿之间的关系,建立了受温度场和气动载荷联合作用下的动平台位姿补偿方程.研究表明,补偿后的矢量偏转角度和面积的相对误差不大于1%.      

湍流模型对叶片表面换热计算的影响

为了比较湍流模型对涡轮叶片外换热计算结果的影响,采用五种湍流模型及两种壁面函数计算了NASA-MarkII导向叶片表面换热并与实验数据进行了对比,结果表明:在相同边界条件下不同湍流模型的计算结果有很明显的差别,即使是同一种湍流模型,如果采用不同的壁面处理函数其计算结果也是有很大差别的;某些湍流模型的计算值只是在某个区域较为理想,还不能找到在整个叶片表面计算结果与实验数据较为接近的湍流模型.在尚无普适性较好的湍流模型的情况下,研究在不同计算域采用不同湍流模型和壁面处理函数的计算技术,是一种较好的可行的方案.      

内冷涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟

为了研究涡轮动叶的内部冷却技术,对采用绝热边界的实心叶片、采用气热耦合的实心叶片和采用气热耦合的空冷叶片进行了研究.发现叶片导热对叶片温度场的影响相当显著;具有带肋蛇形通道和涡流矩阵肋片的内冷结构能使叶片温度大幅下降,但叶片表面温度分布不均匀性增大,换热系数沿叶片表面呈不规则分布.      

减阻表面换热特性的实验

采用实验方法对带"V"型沟槽表面通道在不同雷诺数下的流动与换热特性进行了研究.研究结果表明:宽与深均为0.5 mm的沟槽板通道在实验范围内具有明显的减阻效果, 减阻效果随着雷诺数的增大而减小;相比平板通道流动, 低雷诺数范围下(10000相似文献   

基于网格变形技术的涡轮叶片变形传递

为实现学科耦合,需要在涡轮叶片多学科设计优化的气动模型和结构模型之间传递温度、气压和变形等载荷.研究结构变形向气动网格传递的实现方法.参数空间插值方法解决耦合面网格不一致时的变形插值问题;网格变形技术用来调整气动网格内部节点的位置,保证变形传递后的网格质量.某涡轮叶片变形传递实例的表明:该方法能够用于多学科设计优化问题中的变形传递.