超燃冲压发动机再生主动冷却结构强化换热分析与设计

摘要

超燃冲压发动机在超高温和宽马赫数范围的恶劣条件下工作,需要有效的热防护系统来实现对发动机的充分冷却,以保证发动机的正常运行和发动机的寿命。本文对超燃冲压发动机再生冷却系统进行分析,针对如何提高冷却效率、减少冷却用的燃油消耗量等问题,提出了一套优化设计方案,并通过算例进行了验证。论文主要进行了如下方面的研究工作:针对超燃冲压发动机燃烧室再生主动冷却系统的两种结构形式,基于准则关系式和简化的物性模型建立了燃烧室一维再生主动冷却模型,编写了程序并进行了计算。为了评价再生主动冷却的效果,以某型超燃冲压发动机为例,给出了简单再生主动冷却的计算结果,并对结果进行分析,表明这种计算方法能够较好的反映再生冷却的特点。模型能够迅速计算出沿轴线方向上燃烧室气壁和液壁的温度分布,找出燃烧室的危险截面。进行了二、三维的CFD模拟计算,通过模拟验证了一维计算的结论。针对基于准则关系式的一维模型的不足之处,通过对局部流场和温度场的分析,揭示了强化换热结构增大热流量的机理,并作了对比分析,验证了一维模型的有效性和可靠性。利用热分析计算工具,完成了再生冷却结构中材料选择(衬层材料、隔热材料)和几何结构(隔热层厚度、肋片厚度、冷却通道高度和宽度、人工粗糙度)的分析计算,研究了它们对再生冷却的影响机理和影响效果。为了提高超燃冲压发动机的性能,在发动机冷却用燃油流量与燃烧用燃油流量相匹配的前提下,提出了发动机冷却结构的等壁温优化设计方法,在部分高热流区域添加隔热涂层的基础上针对简单主动冷却的不足之处,以等壁温为原则,通过两种方案进行了冷却通道高度和宽度及添加人工粗糙度的优化设计,得到了相对满意的结果,发动机燃烧室壁面温度基本满足预期的目标。本文提出的优化方案提高了燃料的冷却热沉,节省了冷却用燃油流量,为设计实用的超燃冲压发动机结构提供参考。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.1.1 发展高超声速技术是现代战争的需要

1.1.2 超燃冲压发动机是高超声速飞行器的最佳动力装置

1.2 高超声速飞行面临的热防护问题

1.3 国内外研究现状

1.3.1 超燃冲压发动机研究现状

1.3.2 超燃冲压发动机热防护技术研究发展现状

1.3.3 强化传热技术研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 超燃冲压发动机再生主动冷却一维建模计算

2.1 引言

2.2 超燃冲压发动机燃烧室再生主动冷却换热计算模型

2.2.1 燃气向室壁的传热模型

2.2.2 通过室壁的传热模型

2.2.3 由冷却剂侧壁面至冷却剂的传热模型

2.2.4 冷却液变物性的影响

2.3 超燃冲压发动机再生主动冷却计算方法

2.4 超燃冲压发动机再生主动冷却效果及评价

2.5 本章小结

第3章 超燃冲压发动机再生主动冷却通道CFD 建模分析

3.1 引言

3.2 再生主动冷却通道的二维模拟

3.2.1 基本方程及数值计算方法

3.2.2 无粗糙度数值模拟结果与讨论

3.2.3 有粗糙度数值模拟结果与讨论

3.3 再生主动冷却通道的三维模拟

3.3.1 计算模型及数值方法

3.3.2 数值模拟结果及讨论

3.3.3 粗糙度强化换热机理分析

3.4 CFD 方法的效果对比分析

3.5 本章小结

第4章 再生主动冷却的参数影响特性研究

4.1 引言

4.2 各种因素对冷却效果的影响

4.2.1 壁面衬层

4.2.2 隔热涂层

4.2.3 肋片厚度

4.2.4 冷却通道高度

4.2.5 冷却通道宽度

4.2.6 冷却通道粗糙度

4.3 本章小结

第5章 超燃冲压发动机再生主动冷却强化换热研究

5.1 引言

5.2 简单再生主动冷却的不完备性

5.3 强化传热设计方案

5.3.1 冷却通道高度优化方案

5.3.2 冷却通道宽度优化方案

5.3.3 人工粗糙度优化设计方案

5.4 强化传热结果讨论

5.4.1 高宽优化

5.4.2 高度粗糙度优化

5.5 强化传热方案的优点

5.6 本章小结

第6章 结论

6.1 本文的主要工作

6.2 本文工作的几个特点

6.3 论文工作的展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢