超燃冲压发动机燃烧室支板发汗冷却数值研究

作     者：刘学 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨海威

授予年度：2021年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：发汗冷却 热防护 冷却效率 多孔介质 数值仿真 

摘      要：高超声速飞行器的快速发展需要先进的动力装置提供动力。动力装置燃烧室内支板结构对改善燃烧室燃烧效果具有重要作用,但高温高速主流对支板形成的巨大热载荷会造成支板失效,必须采取有效热防护措施。发汗冷却作为一种先进的冷却方式,有着较高的冷却效率。本文对支板采用发汗冷却的主动热防护系统进行了研究。通过数值仿真手段,建立支板发汗冷却流动换热模型,揭示发汗冷却的热防护机理以及冷却效果的影响因素,为后期设计合理的热防护系统提供参考。分别针对无冷却及有发汗冷却流场进行数值模拟,分析支板在有发汗冷却时流场热防护效能。研究表明带有发汗冷却时支板壁面的速度边界层明显厚于无发汗冷却的情形,避免了主流直接在支板表面滞止。冷却工质在驻点位置的渗出会对主流所产生的弓形激波进行“外推,从而减小主流对支板的力热载荷。同时,冷却工质向下游的堆积,使得冷却效率提高。支板内部冷却工质的流速受到当地压力的影响在接近出口时逐渐提高。对不同冷却工质、冷却工质入口温度、冷却工质流量等因素对发汗冷却效果的影响进行数值仿真研究。研究表明冷却工质的比热容是影响冷却效果的主要因素,氦气相对甲烷、空气具有较大的比热容以及较低的密度,因而具有更大的冷却效能和更大的吹除效果。对比分析不同入口温度冷却工质的冷却效果表明,低温状态下的冷却工质具有更大的冷却潜力,冷却工质流量的加大会增强与固体骨架间的换热,在支板表面形成更厚的冷却工质薄层,从而提高冷却效率。对不同支板倾斜角的流场进行数值模拟,分析得到支板倾斜角度的增大有利于减弱主流作用在支板前缘的力热载荷。对多孔骨架特性对冷却效果影响的数值分析表明,多孔介质中孔隙率和粒径的增大均会导致多孔介质内部换热面积的减小而削弱换热,然而,孔隙率的增大会在一定程度上提高通道内部的雷诺数Re,增强换热效果。多孔骨架导热系数的提高有利于骨架间热量的传递,局部高温区得到热量的释放,支板前缘温度降低。