Analytic estimation and numerical modeling of actively cooled thermal protection systems with nickel alloys

Actively cooled thermal protection system has great influence on the engine of a hypersonic vehicle, and it is significant to obtain the thermal and stress distribution in the system. So an analytic estimation and numerical modeling are performed in this paper to investigate the behavior of an actively cooled thermal protection system. The analytic estimation is based on the electric analogy method and finite element analysis（FEA） is applied to the numerical simulation. Temperature and stress distributions are obtained for the actively cooled channel walls with three kinds of nickel alloys with or with no thermal barrier coating（TBC）. The temperature of the channel wall with coating has no obvious difference from the one with no coating, but the stress with coating on the channel wall is much smaller than that with no coating. Inconel X-750 has the best characteristics among the three Ni-based materials due to its higher thermal conductivity, lower elasticity module and greater allowable stress. Analytic estimation and numerical modeling results are compared with each other and a reasonable agreement is obtained.     

涡轮叶顶间隙密封冷却综合特性评估方法

为了评估带气膜冷却涡轮叶顶间隙的密封和冷却综合特性,在强化传热综合因子中引入气膜冷却效率,推导出了密封冷却综合因子表达式.其物理含义为：主流在一定功率作用并喷入一定量冷气时,被评估的传热方式与基准传热方式传热性能比.数值模拟获得了动叶顶部隔板迷宫间隙气膜冷却和密封特性数据,利用该因子对密封冷却综合特性进行了评估.结果表明：在研究的吹风比内,迷宫结构的冷却效果相比于平叶顶间隙有所改进,随着吹风比减小,改进程度先增加后减小;密封效果只有在高吹风比时有所改进.密封冷却综合特性都得到了改进,吹风比越小,密封冷却综合特性越好.     

倾斜射流撞壁实验研究及液膜几何参数建模

倾斜射流撞壁在液体火箭发动机液膜冷却、射流撞壁雾化等领域具有广泛的应用。为了研究倾斜射流撞击壁面后形成的液膜的关键特征，开展单股圆柱射流撞击壁面的实验研究。从实验中研究各射流参数对液膜外形的影响规律，继而开展理论建模，获取液膜外形的关键几何参数表达式。实验研究发现随着射流倾角增大，液膜长度减小而宽度增大，随着射流孔径和射流速度增大液膜长度和宽度均增大这一定性规律。理论分析得到了液膜最大宽度位置与液膜对称面的夹角近似等于射流倾角α，液膜的长宽比近似等于1+cot α。通过进一步分析得到液膜宽度、最大宽度距撞击点的距离、液膜长度这几个液膜关键参数的表达式。建立的液膜几何参数表达式预测结果与实验结果的误差均在20%以内。     

喷雾液滴撞击液膜影响参数及流动机理分析

液滴撞击壁面是喷雾冷却中最常见的现象。使用计算流体力学软件中的Volume of Fluid （VOF）模型对液滴撞击壁面过程进行了数值模拟研究，研究了不同参数的液滴撞击壁面液膜过程的水花形态特点，针对水花高度和直径等参数进行了分析，通过运动间断理论和无量纲参数Re和We的变化分析了不同参数对液膜的流动特征和水花形态的影响及水花产生机理。结果表明：大液滴撞击液膜时能够改善液膜的流动状态；过大的液滴速度会产生大量飞溅及表面干涸；液滴撞击薄液膜时，液膜的流动性较好，当0.6<h*<1.2时，液膜的流动性不随液膜厚度改变。     

旋转状态气膜冷却的大涡模拟

用大涡模拟的方法考察了静止和旋转状态下有直径4mm,35°流向倾斜圆柱孔的平板上气膜冷却的流动和换热,将静止状态预测的速度型与实验数据进行对比验证了计算结果的合理性.在固定吹风比为0.5、冷气进口雷诺数为2 588的情况下,静止和旋转状态的涡量分布出现明显差异,且旋转状态射流与主流相互作用的剪切层沿展向偏离气膜孔的几何中心线,使得原有对转涡对不再关于孔中心线对称分布,漩涡识别技术也发现典型的涡结构受旋转影响发生形态和运动规律的改变,进而影响湍流结构对主流和冷气掺混的作用.     

GH2／GO2涡流冷却推力室设计与数值计算

涡流冷却是一种新型液体火箭发动机推力室冷却技术。采用该技术可以简化推力室结构、降低成本,并可提高系统可靠性。对涡流冷却推力室进行了初步设计,并采用PDF非预混燃烧模型和DO辐射模型对所设计的推力室进行了数值仿真。根据计算结果：推力室内部形成了双向涡流;推力室圆筒段壁面温度低于760K;在考虑辐射条件下,推力室圆筒段壁面温度平均升高约140K,最高温度低于900K;涡流冷却技术是可行的,但目前存在燃烧效率相对较低的问题。     

旋转状态下气膜偏转特性的实验

基于一个平板叶片模型对旋转状态下气膜冷却轨迹的偏转规律进行了研究,提出采用一个主流径向压力梯度与冷气所受惯性力之比的无量纲数Φ来评价气膜的偏转规律,并通过实验手段验证了这一理论,得出了此无量纲数与气膜偏转角度的关系.实验利用热色液晶测温技术对叶片表面的二维温度场进行测量,并采用无线旋转拍照系统对旋转坐标系中的图像信号加以采集.实验结果表明气膜沿径向偏转角度随Φ增大而减小.      

Experimental investigation of aerodynamics of turbine blade trailing edge cooling

This paper presented an experimental investigation the effects of the trailing edge cooling on the aerodynamic performance. The experiments were conducted on the low-speed linear cascade tunnel at Northwestern Polytechnical University. The external aerodynamic characteristics in the 40 percent chord downstream of exit plane were measured using five-hole probe with the different ejection rates. The results showed that the total pressure loss coefficient at the middle spanwise plane increased at first and then it has a decreasing tendency with the increase of ejection ratio. The trailing edge cooling would influence the structure of the turbine cascade outlet flow field. When the ejection rate was 3%,the loss area near the blade endwall would become stronger,but it would become weaker with the 6% ejection ratio. On the whole,the trailing edge cooling had more influence on the profile loss than on the secondary loss.      

带90°肋和双排出流孔通道换热特性的实验

采用瞬态液晶测试技术测量了带90°肋和双排出流孔通道有出流壁面的换热分布,研究了出流孔与肋的相对位置、通道雷诺数和出流比对换热的影响.研究表明:肋间换热分布受肋前壁面气流分离,肋间气流再附着和出流的共同作用影响;出流孔位置的改变不会对气流再附着的位置产生明显影响;出流孔靠近上游肋时,回流区的换热得到改善,再附着区的换热被出流作用加强,换热特性变好;平均换热强化效果随雷诺数增大而减小,随出流比增大呈增大趋势,但增大幅度较小.      

复合倾斜冲击冷却结构设计及应用

以某型航空发动机低压涡轮导向叶片局部结构设计为研究对象,研发了1种复合倾斜冲击冷却的结构形式,介绍了复合倾斜角度冲击冷却结构设计特点,并进行了流动特性和温度场的计算分析,计算分析和壁温测试表明:复合倾斜冲击冷却方式能以较小的冷气流量对壁面形成了较好的冷却效果;对叶片上缘板表面形成了均匀冲击冷却的效果,发动机台架试车也验证了该冷却结构的性能和可靠性。