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发散冷却和前缘槽缝射流作用下涡轮静叶端壁流动结构的研究

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西安交通大学学报 2022年第1期56卷 120-129页

作者：孙添一李志刚李军西安交通大学叶轮机械研究所西安710049

数值研究了无发散冷却与3种发散冷却气质量流量比下的涡轮静叶端壁附近涡结构、总压损失系数和端壁、叶表绝热冷却有效度以及两种冷却气在端壁上的流动结构。研究表明:发散冷却气质量流量比由5%增加至7%时,进口截面端壁附近的总压峰值升... 详细信息

数值研究了无发散冷却与3种发散冷却气质量流量比下的涡轮静叶端壁附近涡结构、总压损失系数和端壁、叶表绝热冷却有效度以及两种冷却气在端壁上的流动结构。研究表明:发散冷却气质量流量比由5%增加至7%时,进口截面端壁附近的总压峰值升高3.7%,峰值区流体在叶片前缘滞止后向上卷起形成冲击涡;发散冷却流量增加会增强冲击涡而吸力面角区涡对被削弱。低流量冷却气会使整体总压损失降低,而发散冷却气质量流量比由5%升高至7%时总压损失增加4.5%。发散冷却气注入时,冲击涡会将冷却气携带至叶表,在压力面形成显著的泛冷却效果;发散冷却气质量流量比增加至7%会使冲击涡纵向伸长并分裂出三次涡。发散冷却贡献占比的计算结果表明,边界层分离线上游端壁由槽缝射流冷却气覆盖,而叶表和下游端壁的冷却由发散冷却主导。静叶端壁流动结构受到上游燃烧室内壁发散冷却的显著影响,并将改变端壁冷却特性。

关键词：静叶端壁发散冷却槽缝射流流动结构

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发散冷却控制烧蚀过程的数值研究

航空动力学报 2008年第8期23卷 1381-1386页

作者：谢远远王建华中国科学技术大学热科学与能源工程系合肥230027

用数值方法模拟了发散冷却控制结构烧蚀的瞬态过程,同时考虑了线烧蚀和体积烧蚀两种现象对多孔介质骨架高温表面的质量损失和冷却效果的影响,并讨论了高温主流携带的热流强度、冷却介质注入的初始速度和温度、及多孔材料骨架初始温度在... 详细信息

用数值方法模拟了发散冷却控制结构烧蚀的瞬态过程,同时考虑了线烧蚀和体积烧蚀两种现象对多孔介质骨架高温表面的质量损失和冷却效果的影响,并讨论了高温主流携带的热流强度、冷却介质注入的初始速度和温度、及多孔材料骨架初始温度在控制烧蚀过程中的作用.

关键词：线烧蚀体积烧蚀发散冷却多孔介质

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发散冷却系统冷却能力的数值分析

航空动力学报 2021年第11期36卷 2363-2371页

作者：周子鹤苏浩贺菲王建华中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系合肥230027

以给定冷却工质质量流速下系统所能承受的最大热流表征冷却能力,对影响发散冷却系统冷却能力的主要因素进行了数值研究。理论分析和数值计算结果表明:发散冷却的冷却能力受冷却工质的吸热能力和冷却工质与固体骨架之间的换热能力共同制... 详细信息

以给定冷却工质质量流速下系统所能承受的最大热流表征冷却能力,对影响发散冷却系统冷却能力的主要因素进行了数值研究。理论分析和数值计算结果表明:发散冷却的冷却能力受冷却工质的吸热能力和冷却工质与固体骨架之间的换热能力共同制约。在小冷却工质质量流速下,发散冷却系统的冷却能力主要取决于冷却工质吸热能力,而随着冷却工质质量流速的增加,流固换热能力则逐渐成为决定冷却能力的主要因素,进而导致固体热导率和冷却工质比热容对发散冷却系统冷却能力的影响在不同冷却工质质量流速下存在显著差异。

关键词：发散冷却冷却能力吸热能力换热能力多孔介质与冷却工质参数

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发散冷却最小冷却介质注射量的数值研究

航空动力学报 2007年第2期22卷 222-227页

作者：时骏祥王建华中国科学技术大学热科学及与能源工程系合肥230027

充分发挥材料本身的抗高温能力,以最小的冷却介质注射量,确保推进器不被烧蚀是发散冷却系统的设计目标.本文用一维可压缩、非稳态、局部非热平衡模型,数值研究了瞬态冷却过程及最小冷却介质注射量的依赖参数.数值研究表明:研究瞬态的冷... 详细信息

充分发挥材料本身的抗高温能力,以最小的冷却介质注射量,确保推进器不被烧蚀是发散冷却系统的设计目标.本文用一维可压缩、非稳态、局部非热平衡模型,数值研究了瞬态冷却过程及最小冷却介质注射量的依赖参数.数值研究表明:研究瞬态的冷却过程十分重要,因为尽管当冷却过程达到稳态以后热端温度在烧蚀点以下,但在进入稳态之前可能已经发生烧蚀;多孔介质骨架材料的初始温度越高、特征尺寸越大,冷却介质需要量越大;在仅考虑冷却效果的前提下,孔隙率越大,冷却介质需要量越大;相反,骨架材料导热系数越高,冷却介质需要量越小.

关键词：航空航天推进系统发散冷却冷却介质最小注射量

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高超声速飞行器前缘发散冷却特性研究

高超声速飞行器前缘发散冷却特性研究

作者：庙智超中南大学

学位级别：硕士

本文以高超声速飞行器前缘为研究对象,在发散冷却基础上结合气膜冷却,并验证了气膜-发散组合冷却的效果。采用经过充分验证的数值模型,分析了主要因素对前缘气膜-发散组合冷却特性的影响,为前缘气膜/发散组合冷却结构的应用提供了参考... 详细信息

本文以高超声速飞行器前缘为研究对象,在发散冷却基础上结合气膜冷却,并验证了气膜-发散组合冷却的效果。采用经过充分验证的数值模型,分析了主要因素对前缘气膜-发散组合冷却特性的影响,为前缘气膜/发散组合冷却结构的应用提供了参考。主要内容如下:首先,对高超声速飞行器前缘气膜冷却、前缘发散冷却以及前缘组合冷却的冷却效果进行了对比。结果表明,三者中前缘气膜-发散组合冷却结构的冷却剂消耗量最少、冷却效果最优。其次,分别在定质量流量和定流速的情况下,研究了不同冷却剂下组合冷却结构的冷却效果。结果表明,控制冷却剂质量流量一定时,低密度的H和He冷却剂效果更好。控制冷却剂流速一定时,密度大,比热容大的冷却剂的冷却效果最好。然后,研究了来流攻角为0°、4°和12°时对组合冷却效果的影响,分析了对称和非对称前缘构型下改变楔角对组合冷却效果的影响。结果表明,攻角的出现使前缘模型上下半段的温差增大,上下壁面的温差最高可达639.2 K,攻角的改变通过影响外壁面压力的分布来影响结构中冷却剂的流量分配。增大前缘上楔角会使冷却剂向多孔介质下游输运的距离减小,外壁面温度与上楔角之间呈现近似线性增长的趋势。最后,研究了改变飞行马赫数和飞行高度时,为实现良好冷却效果时组合冷却结构的冷却消耗量。结果表明,飞行高度为30 km时,以Ma8及以下的速度飞行,采用0.005 kg/s的冷却剂注射量即可为本文采用的前缘模型提供有效的热防护。当飞行马赫数为6时,飞行高度从25 km变化到40 km过程中,0.005 kg/s的冷却剂注射量同样可以满足防热需求。图88幅,表11个,参考文献87篇。

关键词：高超声速飞行器发散冷却气膜冷却组合冷却冷却剂前缘外形主流参数

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逆喷—发散组合冷却流动换热特性数值研究

逆喷—发散组合冷却流动换热特性数值研究

作者：李勇猛大连理工大学

学位级别：硕士

高超声速飞行器具有极快的飞行速度和灵活的机动能力,是多领域先进技术的综合体现,具有重大战略意义。高超声速飞行器飞行马赫数越高,机身所承受气动加热越强,严重影响高超声速飞行器的安全。逆喷-发散组合冷却兼备逆喷和发散冷却的优点... 详细信息

高超声速飞行器具有极快的飞行速度和灵活的机动能力,是多领域先进技术的综合体现,具有重大战略意义。高超声速飞行器飞行马赫数越高,机身所承受气动加热越强,严重影响高超声速飞行器的安全。逆喷-发散组合冷却兼备逆喷和发散冷却的优点,成为当下学者们研究的热点。本文以飞行器机翼为研究背景,建立组合冷却模型,对组合冷却结构的流动、换热特性进行数值模拟研究。首先,以机翼前缘为背景建立简化模型,使用Fluent软件进行组合冷却数值模型的建立与验证。对比逆喷、发散冷却优缺点,提出优化组合冷却结构。对比不同马赫数下不同组合结构冷却效果,选出结构强度、冷却效果最优结构形式,并在实际高空环境进行冷却效果验证。结果表明,其在不同马赫数下均表现出良好的冷却性能,是一种极具潜力的新型逆喷-发散组冷却构。其次,通过改变逆喷狭缝倾斜方向、孔隙及流量分布、注入率、飞行高度和冷却介质,探讨不同参数对新型组合冷却结构冷却效果的影响。结果表明,若结构可承受冷却剂注入压力的增大,狭缝向外扩大冷却效果较好。孔隙率的提高并不一定引起冷却效率的提升,本研究多孔前端小孔隙率更有利于结构整体温度均匀分布。逆喷口流量的增加对冷却效果提升有限,合理进行流量分配可减少冷却浪费。注入率的提高可增大隔离气膜厚度,从而提高对壁的面隔热、降温作用。飞行高度影响流场压力、温度、速度分布,相同冷却条件下,飞行高度越高组合冷却效果越好。同冷却剂质量流量下,不同冷却介质冷却效果不同,在冷却剂选用中应优先选用小分子质量、大比热容、大动力粘度气体。最后,建立三维头锥间断狭缝数值模型并进行验证,探究不同间隔固体宽度、不同热环境下注入率对间断狭缝冷却效果的影响。结果表明,间断宽度越小冷却效果越好,间断狭缝可在保证冷却效果的情况下进一步提高前端结构强度。高气动热环境下注入率改变对固体前端高温推离距离无影响,且过高注入率会加大高温区对前端固体传热,降低冷却效果。根据不同飞行状态合理调节冷却剂供应,可在保证冷却效果的同时为飞行器合理减负。

关键词：热防护逆向喷流发散冷却冷却效率

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液态水相变发散冷却的实验

航空动力学报 2014年第3期29卷 556-562页

作者：马杰林佳王建华中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系合肥230027

以液态水为冷却介质,采用高温合金粉末烧结多孔材料制造平板实验件,实验研究了具有液态水相变的发散冷却特性.用远红外热像系统记录实验平板热端表面温度分布,通过热电偶及压力传感器监控冷却腔内温度和压力变化,从而分析液态水的相变过... 详细信息

以液态水为冷却介质,采用高温合金粉末烧结多孔材料制造平板实验件,实验研究了具有液态水相变的发散冷却特性.用远红外热像系统记录实验平板热端表面温度分布,通过热电偶及压力传感器监控冷却腔内温度和压力变化,从而分析液态水的相变过程.实验表明:随着液态水注入率的增大,平均冷却效率不断提高;当液态水在暴露于高温主流的平板表面发生气液相变时,平均冷却效率趋于稳定且不再大幅上升;主流温度与液态水注入率决定了液态水的相变位置,并对冷却腔内压力变化产生影响.

关键词：热防护发散冷却气液相变风洞实验红外热像多孔介质

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冲击/发散冷却层板隔热屏冷却性能及对比

航空动力学报 2014年第6期29卷 1272-1278页

作者：刘友宏李英杨旭北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 成都纺织高等专科学校成都611731

为了分析对比新型冲击/发散冷却层板隔热屏冷却性能,论证其应用于加力燃烧室的可行性,在3种不同主次流总压比条件下对其进行了三维流固耦合传热数值模拟研究,并与某型波纹板隔热屏和单层平板隔热屏进行了相同工况的对比分析,得到了冷却... 详细信息

为了分析对比新型冲击/发散冷却层板隔热屏冷却性能,论证其应用于加力燃烧室的可行性,在3种不同主次流总压比条件下对其进行了三维流固耦合传热数值模拟研究,并与某型波纹板隔热屏和单层平板隔热屏进行了相同工况的对比分析,得到了冷却效果、冷气用量、冷气热负荷和次流总压损失系数等的对比结果和变化规律.结果表明:冲击/发散冷却层板隔热屏具有较好的冷却效果,但其受主次流总压比变化的影响较大.相比某型波纹板,冲击/发散冷却层板隔热屏的冷气消耗量平均减少41.6%,单位面积冷气热负荷平均降低65.9%.

关键词：冲击发散冷却气膜冷却层板隔热屏波纹板隔热屏单层平板隔热屏加力燃烧室

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飞行器鼻锥凹腔-发散组合冷却数值模拟

航空学报 2021年第2期42卷 12-20页

作者：栾芸贺菲王建华中国科学技术大学热科学和能源工程系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室合肥230026

尖锐鼻锥冷却方案是可复用式航天飞行器研究领域一个十分重要的课题。传统发散冷却虽然可以有效降低鼻锥结构温度,但是由于驻点外极高的热流、压力,会出现驻点冷却效果差的问题。迎风凹腔结构是一种针对鼻锥驻点区域的减阻防热方案,尖... 详细信息

尖锐鼻锥冷却方案是可复用式航天飞行器研究领域一个十分重要的课题。传统发散冷却虽然可以有效降低鼻锥结构温度,但是由于驻点外极高的热流、压力,会出现驻点冷却效果差的问题。迎风凹腔结构是一种针对鼻锥驻点区域的减阻防热方案,尖锐唇口的分流作用可以使附近压力、热流降低。因此,提出一种新型冷却结构——凹腔-发散组合冷却,利用迎风凹腔结构对驻点的强化冷却解决发散冷却中驻点难以冷却的问题。以楔形鼻锥为物理模型,对发散冷却、迎风凹腔结构和凹腔-发散冷却3种冷却结构进行数值模拟,并和无冷却的纯鼻锥结构进行对比。结果表明,与传统发散冷却相比,使用凹腔-发散组合冷却可以使结构温度峰值下降16.8%;与没有冷却的纯鼻锥模型相比,鼻锥头部圆弧段表面平均温度降幅可达64%,证实了这种新型冷却结构的可行性和高效性。

关键词：鼻锥热防护发散冷却迎风凹腔凹腔-发散组合冷却