层板发汗冷却推力室壁温的数值模拟

运用有限差分方法对一台设计工况下的层板发汗冷却推力室的壁温特性进行了数值模拟。计算结果表明：壁温相同情况下,发汗冷却推力室承受的燃气温度可比膜冷却方式提高约１０００℃;燃气温度相同时,发汗冷却推力室的壁温较非发汗冷却降低约５０％;层板室壁温度梯度集中在燃气侧;ｍ１／２越大,层板室壁内部换热效率越高,层板内壁温度越低,内、外壁温差越大。     

发汗冷却中流动与换热的数值模拟

本文采用改进的低Re数k-ε模型-低Re数kθ-εθ模型以及局部非热平衡模型,将主流区和多孔壁面区进行耦合,通过数值模拟研究了发汗冷却过程中的流动与换热问题。计算结果表明:多孔壁面中靠近主流区的部分温度梯度很大;随着冷却剂流量的增大,壁面上的最高温度明显下降;就本文所选取的参数而言,在发汗冷却所用的冷却剂的量占总流量的1％左右时,冷却效果非常明显。     

发汗冷却换热过程的实验研究与数值模拟

本文对水平矩形槽道内湍流对流换热与发汗冷却进行了实验研究和数值模拟。实验结果表明:随着冷却气体流量的增加,发汗冷却壁面温度、局部对流换热系数和Nu数都迅速下降;在注入率为1％时,壁温下降了约40％,对流换热系数降低至50％左右。随着注入率的增大,壁面热流先是增加,在F=0.7％-0.8％左右时达到一个最大值,随后下降。St/St0随着注入率的增大而降低; St／St0的实验值与由已有关联式以及数值计算得到的值基本吻合。     

基于局部非热平衡模型的发汗冷却过程的数值模拟

本文对水平槽道内发汗冷却建立了包括主流区、多孔壁面区和致密壁面区在内的完整的物理模型和数学描述, 对耦合传热过程开展了数值模拟,对平板发汗冷却的机理进行了深入的研究。研究表明:发汗冷却减小了壁面处的速度梯度,使下壁面边界层明显增厚;随着冷却流体的注入,壁面处的湍流应力明显增大;湍流应力的最大值向没有发汗冷却的壁面一侧偏移,并且增加了最大湍流应力;边界层的增厚使得发汗冷却区域壁面摩擦阻力系数降低。随着冷却剂流量的增大,壁面温度也随之下降;数值模拟结果与实验结果较好地吻合。     

相变发汗冷却的数值模拟

以火箭发动机燃烧室相变发汗冷却为背景,对水在流过横截面为50mmxl0mm的铜管中充满直径为0．4mm孔隙率为0．31的不锈钢珠多孔介质时沸腾换热现象进行数值模拟。研究了重力角度、无重力条件下多孔介质的导热系数以及内部缺陷对沸腾换热的影响。结果表明,重力角度、多孔介质导热系数及内部缺陷均影响多孔介质中的沸腾换热：重力与...     

发汗冷却过程中多孔壁面内的局部非热平衡分析

本文采用局部非热平衡模型对发汗冷却过程中多孔壁面内的换热和流动进行了数值模拟,分析了影响多孔介质内固体骨架与流体的温度及温差分布的因素,研究了这些因素对发汗冷却过程的影响规律.计算结果表明:增大固体骨架的导热系数、增大冷却剂流速或者加强冷端换热有利于提高发汗冷却效率.     

旋成体表面防热的发汗冷却控制及其数值模拟

研究高超声速旋成体表面防热的发汗冷却控制系统,除去得到与平面情形相当的临界发汗通量之外,还得出另一个较小的第二临界发汗通量.当发汗通量介于这两个临界发汗通量之间时,表面虽将出现烧蚀,但烧蚀会自动停止,留有剩余厚度.还进行了数值模拟,给出各种特性曲线;详细讨论了对热层表面烧蚀控制的三种方式:表面温度的控制、表面烧蚀量的控制和表面烧蚀开始时间的控制,给出控制变量选取的准则.     

边界条件局部变化对二维发汗冷却的影响

本文通过对发汗冷却的多孔区域进行二维非热平衡数值模拟,研究了多孔介质区域进口处对流换热系数、冷却剂流量局部降低以及多孔介质受热表面热流密度局部增大对青铜、陶瓷两种不同多孔材料的温度场的影响。计算结果表明,冷却剂在进口处与多孔壁面对流换热系数的增大使多孔介质内部趋向于热平衡;热端壁面对流换热系数、冷却剂流量的局部变化对陶瓷多孔壁面在该局部区域的影响要大于青铜多孔壁面,但青铜多孔壁面受影响的区域更大,而冷却剂流量的局部降低对两种材料固体、流体间温差的影响程度基本一致。     

液体火箭燃烧不稳定性主动控制数值仿真

基于压力隐式算子分割(PISO)算法,通过求解Navier-Stokes方程,对煤油/气氧/气氢三组元火箭发动机两相燃烧进行了数值仿真,得到了燃烧自激振荡的仿真结果;根据燃烧室压力变化,通过实时调节推进剂流量,对液体火箭发动机燃烧不稳定进行主动控制.仿真结果表明:对液体火箭发动机不稳定燃烧进行主动控制是可行的;通过调节推进剂流量的3%就可以抑制燃烧不稳定.     

钝体头锥发汗冷却对流换热实验研究

本文进行了钝体头锥发汗冷却的实验研究,揭示了注入率、主流温度以及主流Re数对发汗冷却壁温及冷却彭率的影响规律.结果表明:发汗冷却对于绕流钝体这种主流为曲面外流的情况依然能以较低的注入率对壁面进行有效的热防护.头锥驻点壁温较高,发汗冷却效率较低;从驻点至下游段壁温不断降低;冷却效率随主流Re数增加而降低.在接近下游处由于尾迹流与钝体底部的换热导致壁温有所增加.     

液体火箭发动机液氧箱与预冷回路的耦合计算模型

建立了液体火箭发动机的液氧贮箱与底部预冷回路的数值计算耦合模型,模拟了地面停放过程中贮箱与底部预冷回路的三维非稳态两相流动与传热过程,分析了自然循环预冷条件下液氧贮箱和底部预冷回路中的三维物理场分布及随时间变化规律。结果表明:随着停放时间的增加,液氧的蒸发量增加,停放中后期贮箱内的热传递基本趋于稳定。回流管内的气化导致回流口处的温度一直呈现波动。     

雾化角对液体火箭发动机燃烧室压力振荡的影响

针对液氧/煤油火箭发动机模型燃烧室实现了三维非稳态两相燃烧过程的数值模拟,得到的燃烧室截面平均压力和平均速度与实验吻合。在初边值条件不施加任何扰动的情况下,得到了燃烧室压力自激振荡过程,并研究了液氧和煤油喷嘴雾化角对燃烧室压力振荡的影响。计算结果表明:当雾化角为40°或120°时,由于燃料与氧化剂喷雾锥重叠区域较小或较大,导致了推进剂混合很差或很好,不易在燃烧室头部出现局部爆炸性的可燃混气团,致使燃烧室压力振荡强度较弱;而当雾化角为中间值65°时,易于出现爆炸性的可燃气团并导致剧烈的压力振荡,使燃烧室中出现燃烧不稳定性。因此,雾化角的合理设计是抑制燃烧不稳定性的一种途径。     

高温空气燃烧炉内湍流混合特性的数值研究

应用自行研发的三维流动、燃烧、传热和污染物NO_x湍流生成的数值模拟程序,对高温空气燃烧实验模型炉进行了湍流扩散燃烧混合特性的数值模拟.数值预报了燃烧室内气体燃料和空气的混合物分数及其湍流脉动的三维分布.数值研究结果表明:在一定的几何条件和气体动力学条件下,高温空气燃烧的湍流混合在更广泛的区域内以较小梯度的进行;混合物分数的脉动主要分布在燃烧区,这表明高温空气燃烧的火焰厚度更大,具有燃烧释热更趋均匀的特性.数值模拟结果与相关的实验结果有相同的规律.     

多孔焦炭燃烧特性的模型构建及数值模拟

焦炭燃烧在固体含碳燃料燃烧进程中占有主导地位,常规燃烧温度范围内(1273～1700 K)的焦炭燃烧过程研究及其模型化对于燃烧设备的设计和优化具有重要的意义。本文根据实际炉内的炭粒燃烧情况,将焦炭燃烧的模拟过程分解成几个环节分别进行研究,即热解后焦炭的初始化学反应活性、焦炭燃烧中化学活性变化、外部氧的扩散对于内孔燃烧的影响,并给出了相关过程的模型计算式。通过与已有管式炉实验结果的比较,新模型的预测结果能较好地反映焦炭的真实燃烧状况。与目前常用的焦炭燃烧模型相比,本模型具备一定的燃料通用性,计算负荷低且能保持相当的预测精度,可耦合到大型燃烧计算程序之中,更为有效地指导实际燃烧设备的优化设计。     

新型双射流冷却孔对气膜冷却效率影响的研究

气膜冷却是现代航空燃气轮机涡轮冷却技术的一种重要方法,冷却孔形状的改进是提高气膜冷却效率的重要手段。本文对双射流冷却孔形状进行了改型,并对新型双射流冷却孔在吹风比分别为0．5,1．0,1．5,2．0时的冷却效率进行了数值模拟。模拟结果表明新型双射流冷却孔与原双射流冷却孔相比在各吹风比下均优化了气膜在热表面上的分布,抑制...     

周期性压力波动对气膜孔流动特性影响的研究

针对主流周期性压力波动的非稳态气膜冷却现象,分别采用非稳态及准稳态数值模拟进行了计算,通过对比揭示了非稳态气膜冷却现象的特征。结果表明:相对于主流的压力波动,气膜孔出口受到上一个时刻压力的影响,呈现出了波动延迟特性;针对本文所研究的波形特点,压力波动一方面导致压差(二次流与主流压力差值)变化无法快速直接地影响到二次流流动,阻止了倒流的发生,使得二次流流量更加稳定;另一方面,其携带的压力波动效应使得气膜孔出口形成贴壁性较好的环向外旋涡,将喷射出去的二次流重新带回壁面,使得二次流贴敷壁面。对于某一特定的主流波动特性而言,是存在在最佳设计长径比使得气膜孔质量流量特性及防止倒流特性达到最佳。本文研究对于涡轮周期性压力波动作用下的气膜孔气膜冷却研究具有较大的意义。     

高温空气燃烧炉内耦合传热的数值模拟

用自行开发的三维湍流流动、燃烧、辐射传热和NO_x湍流生成的计算程序,用离散坐标方法(DOM)模拟炉内的辐射传热并与其它传热方式相耦合,与各个输运方程共同求解,对燃烧室内的温度场进行了数值模拟.通过改变高温空气的预热温度,数值分析了高温空气燃烧炉内采用燃气直接喷射技术(FDI)的温度分布特性,检验了所采用的耦合数值模拟技术的有效性.模拟计算结果表明,提高空气预热温度,炉内温度的峰值相应增大,温度梯度降低,温度分布更均匀,火焰更长.相关的实验结果与数值预报的结果对比表明了相一致的规律.     

湍流分层燃烧的直接数值模拟和小火焰模型研究

湍流分层燃烧广泛应用于工业燃烧装置,但是目前还比较缺乏适用于湍流分层燃烧的高精度数值模型。本文利用直接数值模拟数据库,对高Karlovitz数分层射流火焰的小火焰模型表现进行了先验性评估。考虑了两种小火焰模型,一种是基于自由传播层流预混火焰的小火焰模型M1,另一种是基于分层对冲小火焰的小火焰模型M2。研究发现M1和M2在c-Z空间的结果与直接数值模拟在定性上是一致的。在物理空间,M2对过程变量反应速率脉动值的预测结果要优于M1.