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旋转爆震燃烧室梯度复合热防护结构热分析模型及验证

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航空学报 2022年第3期43卷 194-205页

作者：田佳张靖周谭晓茗王元帅南京航空航天大学能源与动力学院航空飞行器热管理与能量利用工信部重点实验室南京210016

针对旋转爆震燃烧室高热流密度的热防护需求,提出了一种碳化硅耐烧蚀层-高硅氧烧蚀层-气凝胶隔热层-不锈钢金属基体层的梯度复合热防护结构,建立了考虑烧蚀的多层平壁一维瞬态热分析模型,结合旋转爆震燃烧室的典型热环境,采用动边界隐... 详细信息

针对旋转爆震燃烧室高热流密度的热防护需求,提出了一种碳化硅耐烧蚀层-高硅氧烧蚀层-气凝胶隔热层-不锈钢金属基体层的梯度复合热防护结构,建立了考虑烧蚀的多层平壁一维瞬态热分析模型,结合旋转爆震燃烧室的典型热环境,采用动边界隐式差分计算格式求解获得了壁面输入热流密度和高硅氧烧蚀层主要参数对热防护结构内部温度分布的影响;同时开展了旋转爆震燃烧室梯度复合热防护结构热考核试验,对热分析模型进行了试验验证。研究结果表明:旋转爆震燃烧室壁面沿轴向温度分布存在着内在的不均匀性,前端由于预混气的及时补充而得到有效冷却,温度峰值出现在位于中截面和燃烧室出口的尾端区域。基于径向一维传热简化,从实测的旋转爆震燃烧室壁面轴向温度分布反演出时均热流密度沿程分布,并以此对特定轴向截面的热防护结构温度瞬态变化进行了分析,与试验结果的对比验证了所建立地考虑烧蚀过程的一维瞬态热分析模型可以较好地预测梯度复合热防护结构的温度变化特性。

关键词：旋转爆震燃烧室热防护梯度复合结构热分析模型试验验证

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旋转爆震发动机燃烧室壁面烧蚀热防护研究

推进技术 2022年第1期43卷 158-166页

作者：田佳谭晓茗王元帅张靖周南京航空航天大学能源与动力学院航空飞行器热管理与能量利用工信部重点实验室江苏南京210016

为了研究碳化烧蚀材料对旋转爆震燃烧室的被动热防护作用效果,建立了旋转爆震燃烧室热环境计算模型和多层复合壁一维烧蚀热响应分析模型。基于旋转爆震燃烧过程的数值模拟,确定了沿燃烧室轴向的壁面平均温度与热流的分布特征;针对典型... 详细信息

为了研究碳化烧蚀材料对旋转爆震燃烧室的被动热防护作用效果,建立了旋转爆震燃烧室热环境计算模型和多层复合壁一维烧蚀热响应分析模型。基于旋转爆震燃烧过程的数值模拟,确定了沿燃烧室轴向的壁面平均温度与热流的分布特征;针对典型的壁面热负荷输入条件,采用动边界隐式差分格式,对碳化型烧蚀材料的烧蚀过程和传热过程进行了耦合计算,分析了碳化层剥蚀、热解热、热解气体质量流率、材料厚度等因素对燃烧室壁面热防护效果的影响。研究结果表明,旋转爆震燃烧室温度和热流密度分布不均匀,斜激波扫掠区域热负荷更为剧烈;碳化层剥蚀后会使烧蚀材料的烧蚀率增加,壁面温度迅速上升;增大热解热及热解气体质量流率都有利于延长工作时间、降低壁面温度;旋转爆震燃烧室不同区域的烧蚀有一定差异,增加烧蚀材料厚度无疑有利于壁面热防护,但是在实际应用中应综合考虑壁面重量和空间尺寸。

关键词：旋转爆震发动机热环境碳化烧蚀动边界热响应

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气膜冷却射流对叶片微细颗粒沉积影响

航空动力学报 2022年第3期37卷 545-554页

作者：赵传鹏刘松谭晓茗王春华张靖周郭文南京航空航天大学能源与动力学院南京210016 中国航空发动机集团有限公司四川燃气涡轮研究院成都610500

针对微细颗粒在涡轮叶片表面的沉积问题,采用EI⁃Batsh沉积模型对涡轮叶片表面微细颗粒沉积情况进行数值仿真,探究压力面冷却射流对颗粒沉积特性的影响。研究表明:沉积主要发生于叶片前缘与压力面,且沉积率随着粒径的增大不断增大,但粒... 详细信息

针对微细颗粒在涡轮叶片表面的沉积问题,采用EI⁃Batsh沉积模型对涡轮叶片表面微细颗粒沉积情况进行数值仿真,探究压力面冷却射流对颗粒沉积特性的影响。研究表明:沉积主要发生于叶片前缘与压力面,且沉积率随着粒径的增大不断增大,但粒径增大到17μm后沉积率增加幅度开始变小。存在冷却射流时,射流可以通过吹离和卷吸作用影响小粒径颗粒的碰撞率,从而影响到沉积率,但对大粒径颗粒碰撞率基本不存在影响。射流还可以通过冷却壁面降低颗粒黏附率,进而影响沉积率,且大粒径颗粒所受影响更明显;改变吹风比后,颗粒沉积率随吹风比增加总体上呈现出先减小后增大的趋势。

关键词：涡轮叶片沉积特性离散项模型 EI⁃Batsh沉积模型沉积率

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带缘板修型的静盘深腔型复合封严试验

航空学报 2023年第5期44卷 40-53页

作者：张庆才刘松王钦钦谭晓茗张靖周郭文南京航空航天大学能源与动力学院南京210016 中国航发四川燃气涡轮研究院成都610500 北京航空航天大学航空发动机研究院北京102206

采用CO_(2)气体体积分数测量法研究一种带缘板修型的静盘深腔型复合封严结构。同时选取轴向封严结构和叠覆封严结构作为比较基准,重点关注主流雷诺数(0.75×10^(5)~9.4×10^(5))、封严流量(流量比0.2%~2.5%)、旋转雷诺数(1.6×10^(5)~8.... 详细信息

采用CO_(2)气体体积分数测量法研究一种带缘板修型的静盘深腔型复合封严结构。同时选取轴向封严结构和叠覆封严结构作为比较基准,重点关注主流雷诺数(0.75×10^(5)~9.4×10^(5))、封严流量(流量比0.2%~2.5%)、旋转雷诺数(1.6×10^(5)~8.1×10^(5))等典型工况参数对盘腔内压力分布和封严效率的影响情况;并在此基础上开展了相应的数值研究,获得了封严腔室内详细的流场信息。结果表明:在试验设计工况范围内,主流雷诺数的改变对静叶尾缘和动叶前缘的周向压力分布影响显著。主流雷诺数增加,主流通道内压力升高,主流气体入侵加剧;增加封严流量有利于提高盘腔内压力,从而提升盘腔封严效率,但这对静叶尾缘压力影响较小;增加旋转雷诺数会增大静叶尾缘和动叶叶间通道前缘的静压,加重主流气体入侵,降低盘腔封严效率。相比轴向封严结构,叠覆封严结构由于高半径封严容腔的设置,改变了盘腔流场结构,有效地将主流气体阻隔在封严容腔内,保证了低半径盘腔的封严效率在80%以上。新型封严结构的静盘深腔和缘板造型设置,不仅保证了低半径盘腔的封严效率在85%以上,还能提高高半径处封严容腔的封严效率,在低流量比(0.2%)工况下,其封严容腔区域的封严效率提升了10%。

关键词：复合封严封严效率主流雷诺数旋转雷诺数燃气入侵

民用大涵道比涡扇发动机核心机舱通风冷却试验

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航空动力学报 2023年第6期38卷 1350-1359页

作者：尹华莉单勇邓明刘昊崔玉超张靖周谭晓茗南京航空航天大学能源与动力学院南京210016 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院上海201210

设计了全尺寸大涵道比涡扇发动机核心机舱通风换热试验系统,通过改变冷却气流流量、核心机机匣表面发热量以及核心机舱外壳保温层来研究舱内对流换热特性。试验结果表明:引气流量增加,各段核心机机匣的表面传热系数均随之增大;因前/后... 详细信息

设计了全尺寸大涵道比涡扇发动机核心机舱通风换热试验系统,通过改变冷却气流流量、核心机机匣表面发热量以及核心机舱外壳保温层来研究舱内对流换热特性。试验结果表明:引气流量增加,各段核心机机匣的表面传热系数均随之增大;因前/后舱间存在高阶法兰,前舱引气量增加对后舱机匣表面对流换热几乎没影响;引气流量达到单孔进气0.05 kg/s后,舱内空间温度的改善有限;空间上,前舱上部气流温度比下部高出10 K左右,后舱高出20 K左右;相同引气流量下,机匣表面发热量提高,各段机匣的表面传热系数略提高,差值约10 W/(m^(2)·K);保温层的存在导致核心机机匣通过辐射换热的方式向环境传递的热量减小,此时传热的方式主要依靠对流换热,因此表面传热系数相对提高,差值最大约60 W/(m^(2)·K)。采用最小二乘法获得各段核心机机匣表面传热经验公式,可为大涵道比涡扇发动机核心机舱通风冷却工程设计提供参考。

关键词：涡扇发动机核心机机舱通风冷却对流换热试验测试

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冲压发动机喷管超临界压力燃油冷却特性

航空动力学报 2023年

作者：史一诺单勇谭晓茗张靖周孙文静南京航空航天大学能源与动力学院北京动力机械研究所

在获取冲压发动机喷管典型热负荷及其换热边界条件的前提下，构建一种纵向带肋超临界压力燃油冷却多通道结构，对比分析了燃油流动方向、燃油流量(68～204g/s)、燃油进口温度(300～640K)、燃油超临界压力(3～5MPa)对通道内超临界压力燃... 详细信息

在获取冲压发动机喷管典型热负荷及其换热边界条件的前提下，构建一种纵向带肋超临界压力燃油冷却多通道结构，对比分析了燃油流动方向、燃油流量(68～204g/s)、燃油进口温度(300～640K)、燃油超临界压力(3～5MPa)对通道内超临界压力燃油的流动和换热特性影响。结果表明：超临界压力燃油消耗275(g/(s·m2)，就能够将喷管壁面最高温度由2986K降低到1200K以下；燃油与喷管内燃气流动方向一致时，可充分利用燃油换热的入口段效应，降低喷管入口壁面高温，喷管进出口壁面温差减小，轴向热应力减小；燃油质量流量增加，冷却通道内表面传热系数提高，冷却效果提高，但是燃油压降逐渐增加；燃油进口温度过高会使通道近壁处流体的热扩散系数急剧增大，造成传热恶化，存在某一最佳进口温度使燃油压降最低；在燃油进口温度较低的情况下，燃气侧壁面温度和燃油压降随燃油压力变化不敏感。

关键词：冲压发动机喷管超临界压力燃油换热特性流动特性燃油压降

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带缘板修型的静盘深腔型复合封严的实验研究

航空学报 2022年

作者：张庆才刘松王钦钦谭晓茗张靖周郭文南京航空航天大学能源与动力学院中国航发四川燃气涡轮研究院北京航空航天大学航空发动机研究院

本文主要采用CO;气体体积分数测量法研究一种带缘板修型的静盘深腔型复合封严结构。同时选取轴向封严结构和叠覆封严结构作为比较基准，重点关注主流雷诺数（0.75×10;≤Rew≤9.4×10;）、封严流量（流量比FR=0.2%～2.5%）、旋转雷诺数...

本文主要采用CO;气体体积分数测量法研究一种带缘板修型的静盘深腔型复合封严结构。同时选取轴向封严结构和叠覆封严结构作为比较基准，重点关注主流雷诺数（0.75×10;≤Rew≤9.4×10;）、封严流量（流量比FR=0.2%～2.5%）、旋转雷诺数（1.6×10;≤Re;≤8.1×10;）等典型工况参数对盘腔内压力分布和封严效率的影响情况；并在此基础上开展了相应的数值研究，获得了封严腔室内详细的流场信息。结果表明：在试验设计工况范围内，主流雷诺数的改变对静叶尾缘和动叶前缘的周向压力分布影响显著。主流雷诺数增加，主流通道内压力升高，主流气体入侵加剧；增加封严流量有利于提高盘腔内压力，从而提升盘腔封严效率，但这对静叶尾缘压力影响较小；增加旋转雷诺数会增大静叶尾缘和动叶叶间通道前缘的静压，加重主流气体入侵，降低盘腔封严效率。相比轴向封严结构，叠覆封严结构由于高半径封严容腔的设置，改变了盘腔流场结构，有效地将主流气体阻隔在封严容腔内，保证了低半径盘腔的封严效率在80%以上。新型封严结构的静盘深腔和缘板造型设置，不仅保证了低半径盘腔的封严效率在85%以上，还能提高高半径处封严容腔处的封严效率，在低流量比（FR=0.2%）工况下，其封严容腔区域的封严效率提升了10%。

关键词：

基于热电制冷的机载电子设备冷却舱内自然对流特性研究

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南京航空航天大学学报 2023年第4期55卷 634-642页

作者：余延刚陈玮玮李鑫郡张靖周谭晓茗南京师范大学能源与机械工程学院南京210023 南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

通过实验研究和数值模拟的方法探讨了热电制冷器(Thermoelectric cooler,TEC)的排布方式对机载电子设备冷却舱内空气自然对流特性的影响。结果表明:空气遇冷后,温度降低,密度变大,并以缓慢的速度开始下沉,其运动形式由变形运动逐渐过渡... 详细信息

通过实验研究和数值模拟的方法探讨了热电制冷器(Thermoelectric cooler,TEC)的排布方式对机载电子设备冷却舱内空气自然对流特性的影响。结果表明:空气遇冷后,温度降低,密度变大,并以缓慢的速度开始下沉,其运动形式由变形运动逐渐过渡到旋转运动。在舱内顶部布置TECs更有利于流场的发展,但空气下沉到冷却舱底部时易产生振荡解,出现分岔流和二次流,流动进入混沌状态。通过6种设计案例的对比分析,给出了具有最小的温度不均匀系数和最低的平均空气温度的最佳机载电子设备冷却舱内TEC排布方式。

关键词：热电制冷器航空电子设备自然对流实验研究数值模拟

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自耦合射流冲击冷却的数值计算

工程热物理学报 2004年第4期25卷 646-648页

作者：谭晓茗张靖周南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016

本文利用动网格技术对两维自耦合射流冲击冷却恒热流壁面进行了数值模拟,腔体底面具有一定的运动规律,每个时间步网格会重新划分。通过对流场和温度场的分析,得出以下结论:自耦合射流是零质量射流,射流的截面速度分布具有自相似性。涡... 详细信息

本文利用动网格技术对两维自耦合射流冲击冷却恒热流壁面进行了数值模拟,腔体底面具有一定的运动规律,每个时间步网格会重新划分。通过对流场和温度场的分析,得出以下结论:自耦合射流是零质量射流,射流的截面速度分布具有自相似性。涡对的平移和破碎影响了温度场的分布,从而冲击靶面温度最低点不是出现在射流驻点区,而是对应于涡对破碎、紊流度最大的位置。

关键词：自耦合射流冲击冷却数值模拟