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包含超声速条件的喷管与塞锥壁面冷却技术初步研究

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包含超声速条件的喷管与塞锥壁面冷却技术初步研究

作者：白畇南京航空航天大学

学位级别：硕士

论文以航空发动机排气系统高效低阻冷却技术发展为背景,对喷管与塞锥壁面冷却结构进行设计与优化,并针对超音速主流条件下主次流干涉对换热影响机理进行了初步分析。论文首先以典型的收敛扩张喷管为研究对象,设计了气膜冷却结构并利用CF... 详细信息

论文以航空发动机排气系统高效低阻冷却技术发展为背景,对喷管与塞锥壁面冷却结构进行设计与优化,并针对超音速主流条件下主次流干涉对换热影响机理进行了初步分析。论文首先以典型的收敛扩张喷管为研究对象,设计了气膜冷却结构并利用CFD商业软件针对喷管扩张段在亚音、临界以及超音速条件下的气动与换热特性开展了数值模拟研究,初步分析了超声速与亚声速主流条件下气膜冷却特性的差异。研究发现,通过优化气膜孔参数可以降低气膜出流与超声速主流之间的干涉,提高冷却效率。扩张段内主流的降温和膨胀使其后段壁面冷却效率偏高,通过优化气膜孔排布方式可以缓解这种不均匀性。论文同时开展了塞锥壁面冷却技术的研究。将多种先进冷却结构(如多斜孔等)应用于喷管与塞锥冷却,并为了适应塞锥壁面亚音速与超音速区交替的复杂气动特征,建立了分区冷却的思路,优化设计了塞锥头部和尾部冲击气膜冷却结构,强化对二次流的约束引导,最大限度地发挥了二次流的冷却潜力。之后,论文进一步将塞锥尾部细化分区,引入并优化了多斜孔气膜冷却结构,有效降低了支板以及塞锥表面温度,将锥体温度控制在长期使用温度下;并针对支板尾缘处塞锥外壁面结构进行优化,降低了支板尾迹流对塞锥壁面温度分布的影响,提高了壁面温度均匀性。最后,基于缩比塞锥模型,论文对多斜孔气膜冷却结构进行了优化设计,在固定密流比的条件下,通过数值模拟研究,得到气膜孔几何参数对塞锥壁面换热特性的影响规律。研究发现,减小孔斜角与孔径可以提高冷却效果,同时降低气动损失。研究结果为今后的缩比模型实验研究打下基础。

关键词：喷管塞锥气膜冷却超声速数值模拟

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二元矢量塞式喷管塞锥表面冷却特性研究

二元矢量塞式喷管塞锥表面冷却特性研究

作者：征建生南京航空航天大学

学位级别：硕士

二元塞式矢量喷管作为一种机械式矢量喷管,因其在红外抑制、矢量偏转等方面的优势而具有良好的应用前景。塞锥安装在喷口尾缘,因此必须针对塞锥后体表面进行有效的冷却,以降低喷管壁面温度与红外辐射强度;同时,塞锥前体尤其是前缘面对... 详细信息

二元塞式矢量喷管作为一种机械式矢量喷管,因其在红外抑制、矢量偏转等方面的优势而具有良好的应用前景。塞锥安装在喷口尾缘,因此必须针对塞锥后体表面进行有效的冷却,以降低喷管壁面温度与红外辐射强度;同时,塞锥前体尤其是前缘面对高温燃气的冲击,也必须加以有效的冷却以实现表面热防护。本文主要包括以下研究内容:首先,针对二元塞式矢量喷管的气动和红外辐射特性进行了数值研究。结果表明,矢量偏转下几何矢量角略大于喷管的气动推力矢量角。无矢量偏转时喷管的推力系数约为0.94,总压恢复系数仅为0.87。排气系统20°偏转后推力系数和总压恢复系数分别下降0.49%和0.42%。红外辐射特性方面,在水平探测平面总红外辐射强度在0°至±30°探测视角内随着矢量偏转而产生衰减,且随着角度的增大,衰减程度降低。针对塞锥前缘的结构特点,提出了塞锥前缘弧面段冲击冷却与直段气膜冷却相结合的冷却结构,并对其影响塞锥表面冷却特性和喷管气动性能进行了数值研究。研究结果表明,吹风比、开孔率和矢量偏转的增加使得喷管总压恢复系数和推力系数均呈下降趋势。吹风比与开孔率增加使得沿程气膜孔流量系数增大,综合冷效也逐渐增大,孔倾角增加带来相反的规律。针对塞锥后缘结构以及在喷管出口附近的流动特点,提出了塞锥后缘出口截面以内采用冲击冷却与出口截面以外采用气膜冷却相结合的冷却方式,并对其影响塞锥表面冷却特性、喷管气动性能和红外辐射特性进行了研究。结果表明,喷管气动性能方面,吹风比、开孔率、孔倾角与矢量偏转的增加均会造成喷管的推力系数和总压恢复系数下降。红外辐射特征方面,竖直方向红外辐射强度下降的程度大于水平方向。随着吹风比的逐渐升高,红外辐射强度降幅也逐渐下降。相同冷却流量下,气膜孔布置方式对红外辐射强度分布的影响较小。最后,开展了二元塞式矢量喷管缩比模型的实验研究,分析了不同结构参数与冷却方式对塞锥表面冷却特性的影响。研究结果表明,低开孔率的气膜孔布置在小冷流流量时具有优势,随着冷流流量的增大,开孔率较大的气膜孔布置降温效果更优。射流冲击冷却的引入有效地改善了沿程温度分布的均匀性。

关键词：二元塞式喷管塞锥气膜冷却气动特性红外辐射

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再生冷却塞式喷管塞锥热变形数值分析

再生冷却塞式喷管塞锥热变形数值分析

首届全国航空航天领域中的力学问题学术研讨会

作者：张擘毅张峰刘伟强国防科学技术大学航天与材料工程学院

建立了再生冷却塞式喷管塞锥的二维瞬态传热模型。利用解析方法获得对流换热系数及辐射热流,并将简化的物理模型进行轴对称Delaunay 非结构化网格剖分,在此基础上,应用有限元数值计算方法,完成对塞锥的瞬态温度场及热变形的数值仿真,将... 详细信息

建立了再生冷却塞式喷管塞锥的二维瞬态传热模型。利用解析方法获得对流换热系数及辐射热流,并将简化的物理模型进行轴对称Delaunay 非结构化网格剖分,在此基础上,应用有限元数值计算方法,完成对塞锥的瞬态温度场及热变形的数值仿真,将有、无再生冷却及不同工况下的数值计算结果进行比较分析。比较结果表明,在受热最严重的喉部和燃烧室采用再生冷却方案能有效减小塞锥的热变形。

关键词：塞式喷管热变形有限元法塞锥再生冷却数值仿真

来源： cnki会议评论

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轴对称塞式喷管电磁散射特性数值模拟

推进技术 2018年第1期39卷 86-91页

作者：陈玲玲杨青真陈立海施永强西北工业大学动力与能源学院陕西西安710129

为研究塞锥存在对喷管雷达隐身特性的影响,以涡扇发动机轴对称喷管为基础,设计了加有不同锥度塞锥的塞式喷管;运用自主开发的基于物理光学迭代(IPO)和等效边缘电磁流(EEC)方法的程序对各型塞式喷管的雷达散射特性进行了数值计算并与原... 详细信息

为研究塞锥存在对喷管雷达隐身特性的影响,以涡扇发动机轴对称喷管为基础,设计了加有不同锥度塞锥的塞式喷管;运用自主开发的基于物理光学迭代(IPO)和等效边缘电磁流(EEC)方法的程序对各型塞式喷管的雷达散射特性进行了数值计算并与原轴对称喷管特性进行对比分析。结果表明:塞式喷管能够有效降低喷管雷达散射截面(RCS);但0°仰俯角附近会有局部升高,在水平极化和垂直极化方式下RCS值分别比原喷管最大增大8.14%,11.77%;存在最优锥度,在水平和垂直极化方式下都能够最大程度减小喷管总场RCS均值,使得其比原喷管分别减缩13.2%,15.2%。

关键词：塞式喷管塞锥后锥半锥顶角雷达散射截面(RCS)

矢量偏转对二元塞式矢量喷管红外辐射特征的影响

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推进技术 2021年第10期42卷 2315-2324页

作者：王浩吉洪湖周兵桑学仪王宇恒南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016 安徽航瑞航空动力装备有限公司安徽芜湖241000 上海航天控制技术研究所上海201108

为了研究矢量偏转对二元塞式矢量喷管红外辐射特征的影响,通过喷管缩比模型的红外辐射特征试验,获得矢量偏转对喷管缩比模型红外辐射特征影响的试验数据及规律,并验证了红外辐射特征数值计算方法的计算精度。采用经过验证的计算方法对... 详细信息

为了研究矢量偏转对二元塞式矢量喷管红外辐射特征的影响,通过喷管缩比模型的红外辐射特征试验,获得矢量偏转对喷管缩比模型红外辐射特征影响的试验数据及规律,并验证了红外辐射特征数值计算方法的计算精度。采用经过验证的计算方法对全尺寸二元塞式矢量喷管在发动机地面工作状态下的流场特性与红外辐射特征进行了数值仿真。研究结果表明:当矢量偏转角由0°增加到20°,塞锥壁面温度分布基本不变,但喷管偏转压力侧壁面温度逐渐升高,最大增幅达到38.5%,喷管偏转吸力侧壁面温度逐渐下降,最大降低15.4%。塞锥是二元塞式矢量喷管最主要的红外辐射源,在尾向-20°~20°方向,塞锥的平均贡献≥63.6%,最大高达91.0%。随着偏转角增加,喷管在水平探测面内的红外辐射强度逐渐减小,其中正尾向上的降幅最大,达到33.6%;在铅锤探测面内,辐射峰值方向朝矢量偏转方向偏移,但偏移角度小于矢量偏转角度。全尺寸模型仿真获得的矢量偏转对喷管红外辐射特征分布的影响规律与缩比模型试验的结论一致。

关键词：二元塞式矢量喷管矢量偏转塞锥红外特征涡扇发动机

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冷却结构塞式喷管红外特性抑制试验技术研究

燃气涡轮试验与研究 2019年第3期32卷 18-23,46页

作者：陈俊吉洪湖刘常春中国航发商用航空发动机有限责任公司上海201108 南京航空航天大学能源与动力工程学院南京210016

利用涡扇发动机喷管红外辐射特征模拟试验台,对二元塞式喷管的红外辐射特征进行试验研究,得到塞锥冷却对二元塞式喷管红外辐射特性的影响规律,并与轴对称收扩喷管(基准喷管)进行了对比。试验结果表明:在探测角0°方向上,相比基准喷管,... 详细信息

利用涡扇发动机喷管红外辐射特征模拟试验台,对二元塞式喷管的红外辐射特征进行试验研究,得到塞锥冷却对二元塞式喷管红外辐射特性的影响规律,并与轴对称收扩喷管(基准喷管)进行了对比。试验结果表明:在探测角0°方向上,相比基准喷管,二元塞式喷管在不采取冷却措施时红外特征降低了12.1%,冷气流量为1.0%总流量时红外辐射强度降低了40.8%,冷气流量为2.8%总流量时红外辐射强度降低了51.2%。

关键词：航空发动机二元塞式喷管塞锥红外辐射特性冷却红外抑制试验研究

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低总温直连式空气加热器数值仿真与试验研究

低总温直连式空气加热器数值仿真与试验研究

作者：赵芳国防科学技术大学

学位级别：硕士

低总温直连式空气加热器主要应用于超燃冲压发动机地面直连式试验系统中，其关键技术在于保证点火容易、燃烧稳定、出口流场品质高以及燃烧室内表面有可靠的热防护措施。本文以基于液体火箭发动机燃烧室结构的空气加热器为研究对象，采... 详细信息

低总温直连式空气加热器主要应用于超燃冲压发动机地面直连式试验系统中，其关键技术在于保证点火容易、燃烧稳定、出口流场品质高以及燃烧室内表面有可靠的热防护措施。本文以基于液体火箭发动机燃烧室结构的空气加热器为研究对象，采用数值仿真与试验相结合的方式研究空气加热器雾化及燃烧过程，分析不同结构及工作参数对加热器性能的影响。首先，通过雾化试验研究了应用于本文所研究的空气加热器的三组元同轴直流式喷嘴的雾化性能。分析了喷嘴不同结构及工作参数对喷嘴流量特性与雾化特性的影响。研究表明：三组元同轴直流式喷嘴的流量系数受到气气之间的剪切力、空气喷注压降、喷嘴缩进以及流体粘性等因素的综合影响;气相组元明显改善喷嘴的雾化效果，增大喷嘴的雾化锥角，而喷嘴不同缩进及不同空气环缝外径基本不影响雾化锥角;粒子SMD受气体的喷注压降、喷嘴缩进以及空气环缝外径的影响，在一定范围内，气体喷注压降的增大会引起同截面粒子的SMD增大，而随着喷嘴缩进尺寸的增大，粒子SMD则表现为先增大后减小，空气环缝面积的增大会引起粒子SMD减小;粒子尺寸的分布形式较好地吻合Rosin-Rammler函数分布。其次，根据现有的理论模型，选择了一套适合于空气加热器喷雾燃烧过程的数值仿真模型与计算方法。应用所选模型仿真计算了空气加热器内部燃烧流场，同时验证了网格无关性，并与同工况下的热力计算结果以及试验所测值进行了对比，从而验证了数值计算的正确性，在此基础上对比分析了不同结构及工作参数对空气加热器燃烧流场的影响，以及提出并仿真研究了塞锥的安装及不同安装位置对加热器性能的影响。分析表明：一阶/二阶精度得到的加热器燃烧流场差异不大，且加热器喷管出口流场品质高;适当减小掺混孔的倾斜角度以及增加单排掺混孔的数量有利于燃气导管的热防护;推进剂的物态直接影响着加热器燃烧流场结构与喷管出口流场品质;喷嘴结构参数的变化可能会影响喷注面板的热防护及加热器的燃烧性能;塞锥的安装有利于加热器流场的均匀性，且这种效果随塞锥安装位置的不同而变化。最后，开展空气加热器的热试研究，并采用设计的总温耙测量了加热器喷管出口的总温分布，同时考察了加热器不同空气流量配比与隔板不同孔径时的点火特性、燃烧效率以及喷管出口参数分布的均匀性。再者，利用数值仿真方法对比研究了试验中所涉及的加热器工况。结果表明：加热器的性能基本能达到设计要求，且加热器的混合室上游存在一个低压区;空气流量分配存在一个最佳的配比，使得加热器燃烧效率最高;隔板面板孔径适当增大更利于加热器的燃烧性能。

关键词：低总温直连式试验空气加热器数值仿真雾化掺混孔塞锥隔板