【摘 要】
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为了研究液体火箭发动机推力室再生冷却流动与传热的快速仿真方法,建立了推力室再生冷却的准二维模型,对航天飞机主发动机开展了再生冷却流动与传热计算仿真研究,对比分析了再生冷却准二维模型和三维模型的仿真计算结果.研究表明,两种计算模型均可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热.三维模型计算精度高,但计算用时较长.计算得到的航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为162.2MW/m2,最高壁温为1159.7K,冷却剂温升为244.0K,压降为8.5MPa.准二维模型计算结果精度略有降低,但计算时间较三维模
【机 构】
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北京航空航天大学 宇航学院,北京 100191
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为了研究液体火箭发动机推力室再生冷却流动与传热的快速仿真方法,建立了推力室再生冷却的准二维模型,对航天飞机主发动机开展了再生冷却流动与传热计算仿真研究,对比分析了再生冷却准二维模型和三维模型的仿真计算结果.研究表明,两种计算模型均可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热.三维模型计算精度高,但计算用时较长.计算得到的航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为162.2MW/m2,最高壁温为1159.7K,冷却剂温升为244.0K,压降为8.5MPa.准二维模型计算结果精度略有降低,但计算时间较三维模型减小了90％.四个参数与三维模型计算结果的差异分别为0.3％,4.4％,8.6％和4.5％,在可接受范围内.本文的准二维模型计算时间短,适用于液体火箭发动机再生冷却结构的方案筛选和优化设计,三维模型计算精度高,适用于设计完成后的校核计算.
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为了研究燃气轮机燃烧室主燃区和掺混区空气分配比例对燃烧室性能的影响,本文在双旋流环形燃烧室上进行了全温全压燃烧试验研究.结果表明,随运行工况的提高,燃烧室出口温度分布系数OTDF呈现总体降低的变化趋势,出口径向温度分布系数RTDF呈现先显著降低、后缓慢升高并最终平稳的变化趋势,总压恢复系数略有增加;随着主燃区空气比例的增加,OTDF呈现先增加再降低再增加的变化趋势,并在主燃区空气比例为0.343时达到最小值;随掺混区空气比例的增加,燃烧室RTDF持续降低;主燃区和掺混区的进气比例对燃烧室的总压恢复系数几乎
为探究旋流杯内流动不稳定现象,针对带不同出口张角文氏管的旋流杯冷态流场进行了大涡模拟,并结合PIV试验结果进行了验证.研究结果表明,文氏管出口张角对时均流场的影响主要在旋流杯内部区域,对下游恢复区域基本无影响;旋流杯瞬态流场中存在旋进涡核(PVC)和小涡旋结构,出口张角对PVC的运动频率和形态基本无影响,对小涡旋结构影响较大,相同Q值下,56°张角旋流杯方案的小涡旋结构更丰富;经本征正交分解方法(POD)分析,旋流杯的强脉动结构为PVC和小涡旋结构.56°张角旋流杯方案的小涡旋结构能量更强,脉动幅度较大,
为了研究锥形预混火焰的羽流脱落特性,以丙烷-空气预混火焰为实验对象,通过粒子图像测速技术对锥形预混火焰的羽流速度场进行了实验研究,以动态模态分解法对得到的速度场进行了模态分解和主要特征重构还原.同时采用光电倍增器对火焰热释放强度信号进行实时采集,采用双热电偶法对燃后热气体的温度进行了重建.结果表明在浮力诱导下燃尽气体与周围环境空气相互剪切形成剪切层(BSL),BSL的Kelvin-Helmholtz不稳定性诱导产生了涡,涡作用于燃尽区附近的流场,扰动传至火焰面附近区域,与火焰剪切层的Darrie-Land
为研究气液两相连续旋转爆轰发动机燃烧室内爆轰波的传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,建立了欧拉-拉格朗日模型进行二维数值仿真,其中气相方程采用时空守恒元与求解元方法求解,液相方程采用标准四阶龙格库塔法求解.在两相旋转爆轰模型还考虑了液滴雾化破碎过程.计算结果表明:起爆后形成的初始爆轰波经过初始燃料填充区域后逐渐衰减,随后入口附近新生成的压力波经过一系列发展形成了自持稳定传播的旋转爆轰波;旋转爆轰波的传播模态受燃料与氧化剂的喷注压力和氧化剂填充比影响,在不同工况下旋转爆轰波呈现出4种传播模态,即稳定单
为研究射流流速与发动机转速对轴承腔旋转壁面冷却效果的影响,采用数值模拟方法研究了滑油射流冲击旋转壁面的流动与换热特性,重点关注和分析了中高转速下射流雷诺数Rej和旋转雷诺数Reω对于滑油流动和壁面整体及局部传热的影响.为体现不同工况对壁面换热的影响,分别采用了壁面平均传热量、壁面努赛尔数、局部平均努塞尔数进行了综合换热分析.研究结果表明,随着射流流速增加,壁面附着油量增多,壁面平均传热量与局部换热分别增加约32％和40％;而随着壁面转速增加,壁面附着油量下降,壁面平均传热量减少约13％,局部换热增加约62
为缩短脉冲爆震燃烧室轴向长度,开展了气液两相U型脉冲爆震燃烧室(U-PDC)点火起爆特性试验研究.试验时采用火花塞点火和热射流点火,且点火能量可调.研究结果表明,两种点火方式均可实现U-PDC工作频率10～30Hz稳定工作,且爆燃向爆震转变DDT的时间随工作频率提高而缩短,为5～11ms.此外,实现U-PDC稳定工作时,热射流所需的点火能量为0.05J,较火花塞点火能量1J更低,并且热射流点火DDT距离更短,约718mm,起爆位置距来流入口的轴向距离约280mm,缩短了起爆所需的轴向长度,有利于工程应用.
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