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超临界煤油涡轮泵设计与工作特性研究

超临界煤油涡轮泵设计与工作特性研究

作者：李杰国防科技大学

学位级别：硕士

再生冷却/膨胀循环超燃冲压发动机系统方案是解决高超声速飞行器长时间工作问题的有效途径。本文针对膨胀循环超燃冲压发动机燃料供应系统超临界/裂解态煤油涡轮泵组件,采用理论分析与数值仿真相结合的方法,对其参数敏感性及匹配特性进... 详细信息

再生冷却/膨胀循环超燃冲压发动机系统方案是解决高超声速飞行器长时间工作问题的有效途径。本文针对膨胀循环超燃冲压发动机燃料供应系统超临界/裂解态煤油涡轮泵组件,采用理论分析与数值仿真相结合的方法,对其参数敏感性及匹配特性进行了深入地研究。首先,对膨胀循环超燃冲压发动机超临界/裂解态煤油涡轮泵进行了方案设计。综合考虑超燃冲压发动机的结构布局及工作特点,分别建立了小流量低比转速离心泵和低压比单级冲击式涡轮的设计方法,根据涡轮泵技术指标进行设计计算并获得了构型参数。其次,建立了超临界煤油涡轮泵的数值仿真流程及方法,通过建立涡轮泵三维模型、计算域网格生成与数值求解,获得了涡轮泵的性能参数,对涡轮泵的设计合理性进行了验证。结果表明:涡轮泵设计方案满足设计要求,涡轮能够为离心泵提供充足的轴功率;离心泵流场流线较为理想,隔舌处未出现漩涡,能够为液态煤油提供稳定的增压功率。然后,经试验设计与高精度数值仿真,建立了涡轮泵运行特性数据库并构建了RBF神经网络响应面模型;基于响应面方法与参数敏感性分析方法并结合数值仿真模型,对超临界煤油涡轮泵参数敏感性进行了深入地研究,主要包括交互效应分析、输入变量对性能响应影响的Pareto分布、多目标Pareto最优前沿分析等,获得了超临界煤油涡轮泵性能指标参数的主要影响因素。最后,采用多目标优化方法为辅助手段,建立了超临界煤油涡轮泵匹配优化模型,对其匹配特性进行了深入地研究,获得了涡轮泵设计点下的最优匹配工况;在非设计点下,获得了涡轮可调量(工质入口压力、质量流量和温度)与系统匹配特性的二阶多项式响应面模型,为涡轮泵试验研究和匹配控制提供了参考依据。论文研究成果为进一步开展膨胀循环超燃冲压发动机起动过程非线性力/热耦合机理研究和发动机综合设计与系统集成技术发展奠定重要的理论与应用基础。

关键词：超燃冲压发动机膨胀循环超临界煤油涡轮泵参数敏感性匹配特性

竖直内螺纹管中超临界RP-3航空煤油换热特性数值研究

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工程热物理学报 2024年第3期45卷 826-835页

作者：王彦红孙文清李雨健李洪伟贾玉婷东北电力大学能源与动力工程学院吉林132012

针对空–油换热器的结构优化应用,开展了竖直内螺纹管中超临界RP-3航空煤油换热特性数值研究。阐述了沿流动方向的传热恶化问题和沿圆周方向螺纹顶部–螺纹底部的非均匀换热机制。通过近壁区流体参数分布情况揭示了传热恶化的原因。讨... 详细信息

针对空–油换热器的结构优化应用,开展了竖直内螺纹管中超临界RP-3航空煤油换热特性数值研究。阐述了沿流动方向的传热恶化问题和沿圆周方向螺纹顶部–螺纹底部的非均匀换热机制。通过近壁区流体参数分布情况揭示了传热恶化的原因。讨论了通道截面温度场、流场、湍动能的分布特征,基于螺旋度和二次流强度描述了二次流的影响。探究了运行压力和螺纹数目对换热的影响。实现了换热关联式预测。结果表明:吸热能力下降和湍动能异常减小是第一次传热恶化的原因,类膜态沸腾还会导致第二次传热恶化问题。螺纹结构和变密度耦合产生二次流,螺旋度沿流动方向不断增大,高温区二次流强度与换热状况具有耦合机制。提出的换热关联式有效获得了三种类型内螺纹管中超临界航空煤油的换热预测。

关键词：内螺纹管超临界煤油传热恶化二次流螺旋度

内螺纹管中超临界RP-3航空煤油换热特性数值研究

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内螺纹管中超临界RP-3航空煤油换热特性数值研究

作者：孙文清东北电力大学

学位级别：硕士

变循环涡扇发动机面临着涡轮前温度增大和涡轮冷却气温提高使得涡轮冷却效果降低的难题,应用空-油换热器可以有效地解决该问题。空-油换热器以碳氢燃料作为冷却剂对进入涡轮发动机的高温空气进行冷却,有助于发动机动力性能提高。空-油... 详细信息

变循环涡扇发动机面临着涡轮前温度增大和涡轮冷却气温提高使得涡轮冷却效果降低的难题,应用空-油换热器可以有效地解决该问题。空-油换热器以碳氢燃料作为冷却剂对进入涡轮发动机的高温空气进行冷却,有助于发动机动力性能提高。空-油换热器属于紧凑式航空换热器,目前常采用内壁光滑管道,内螺纹结构具有强化换热的作用,可以作为增强空-油换热器换热性能的有效方案。因为航空煤油工作在超临界条件下,热物性随压力和温度变化显著,需要进行内螺纹管中超临界航空煤油的换热研究。建立四头、六头、八头内螺纹管物理模型,对三种不同类型内螺纹管进行结构化网格划分,通过网格无关性验证选择最优的网格数量。对RP-3航空煤油的密度、比热容、热导率和动力黏度分段线性处理。湍流模型选取Realizable k-ε湍流模型,对竖直内螺纹管和水平内螺纹管进行模型验证。探究了运行压力、质量流速、热流密度、螺纹数目和螺纹升角对竖直内螺纹管内超临界RP-3航空煤油换热的影响,阐述了沿流动方向的传热恶化问题和沿圆周方向螺纹顶部-螺纹底部的非均匀换热机制。通过近壁区流体参数分布情况揭示了传热恶化的原因。讨论了通道截面温度场、流场、湍动能的分布特征,基于螺旋度和二次流强度描述了二次流的影响。实现了换热关联式预测。结果表明:吸热能力下降和湍动能异常减小是第一次传热恶化的原因,类膜态沸腾导致第二次传热恶化问题。螺纹结构和变密度耦合产生二次流,螺旋度沿流动方向不断增大,高温区二次流强度与换热状况具有耦合机制。提出的换热关联式有效的实现了三种类型内螺纹管中超临界航空煤油的换热预测。探究了运行压力、热质比、螺纹数目和螺纹升角对水平内螺纹管内超临界RP-3航空煤油换热的影响,基于管截面温度、密度、局部质量流速、流线分布状况,揭示周向非均匀传热恶化的机理。通过类气膜温度梯度的演变以定量表征传热恶化程度。提出了适用于周向四个位置努塞尔数预测的换热关联式。结果表明:流动性差的类气膜在冷流体和热壁面之间形成阻隔,导致传热恶化问题。浮升力作用致使流场和温度场出现畸变,类气膜厚度周向不均,产生局部超厚类气膜,对应的传热恶化加剧。厚类气膜区和二次流涡在浮升力和螺纹旋流耦合机制下沿流动方向不断逆时针改变位置。提高煤油压力有利于削弱和延后类气膜效应,且使旋流强度下降。热质比的提高使传热恶化出现位置提前。随着螺纹升角增大,类气膜效应略有削弱和后延,旋流强度显著提高。换热关联式预测偏差普遍位于±10%的误差范围。

关键词：空-油换热器内螺纹管超临界煤油传热恶化浮升力换热关联式

并联通道中超临界RP-3航空煤油流量分配特性数值研究

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推进技术 2024年第9期45卷 140-151页

作者：王彦红李雨健贾玉婷李洪伟东北电力大学能源与动力工程学院

针对热流偏差下空-油换热器的应用，进行了三种类型并联通道中超临界压力RP-3航空煤油流量分配数值研究，探究了进口压力、进口温度、进口总流量、进出口布置对双通道流量分配的影响机制。通过摩擦压降和加速压降的演变机制揭示了流量... 详细信息

针对热流偏差下空-油换热器的应用，进行了三种类型并联通道中超临界压力RP-3航空煤油流量分配数值研究，探究了进口压力、进口温度、进口总流量、进出口布置对双通道流量分配的影响机制。通过摩擦压降和加速压降的演变机制揭示了流量非对称分配的原因，讨论了通道质量流速和温度的分布特征及其对换热的影响，进行了（火积）耗散效应分析。根据热流密度比值和运行参数提出了流量偏差的预测准则，预测偏差处于±15%范围内。结果表明：随着双通道热流差别增大，两者流量偏差增大，源于加速压降和摩擦压降的平衡机制。热流比值小于1时，摩擦压降主导流量分配；热流比值大于1时，加速压降主导流量分配。热流比值等于1时，双通道流量等量分配。提高进口压力、进口温度、进口总流量双通道流量偏差均受到抑制。高热流偏差下通道出现流量不连续和偏差管温度反向分层问题。相对流量偏差和（火积）耗散偏差的变化规律一致，I型布置相比U型和Z型布置更好。

关键词：空-油换热器并联双通道超临界煤油加速压降摩擦压降流量分配 (火积)耗散

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并联通道内超临界RP-3航空煤油流量分配特性研究

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并联通道内超临界RP-3航空煤油流量分配特性研究

作者：李雨健东北电力大学

学位级别：硕士

超燃冲压发动机利用碳氢燃料再生冷却,能够在最大限度解决发动机的热管理问题。超燃冲压发动机采用紧密的再生冷却并联通道,因为燃烧室燃烧放热不均匀,通道壁面热流分布不均匀,并联通道产生热流偏差,从而引起并联通道流量非对称分配。... 详细信息

超燃冲压发动机利用碳氢燃料再生冷却,能够在最大限度解决发动机的热管理问题。超燃冲压发动机采用紧密的再生冷却并联通道,因为燃烧室燃烧放热不均匀,通道壁面热流分布不均匀,并联通道产生热流偏差,从而引起并联通道流量非对称分配。超临界压力下RP-3航空煤油的热物性随温度急剧变化,热流偏差加剧流量非对称分配,部分流量小的通道甚至出现局部区域过热超温,最终引发发动机热损毁问题。需要针对热流偏差下超燃冲压发动机热防护问题开展并联通道内超临界RP-3航空煤油流量分配特性研究。构建了圆形截面并联双通道和矩形截面并联多通道物理模型,建立了数学模型,航空煤油的热物性采用多段线性形式,通过网格无关性分析得到了最佳网格方案,选用RNG k-ε模型对并联双通道和并联多通道的流量分配进行实验验证,验证了数值模拟的有效性。针对圆形截面并联双通道流量分配特性,讨论了进口压力、进口温度、进口总流量、进出口布置、双通道间距、进出口管径对并联双通道流量分配的影响机制。利用摩擦压降和加速压降的演变机制,揭示了流量非对称分配的产生原因。分析了通道质量流速和温度的分布特征及其影响,并进行(火积)耗散效应分析。提出了不同布置方式下双通道流量偏差的预测准则。结果显示:随着双通道热流偏差增大,两者流量偏差增大,是由于加速压降和摩擦压降的平衡机制所导致的。热流比值小于1时,摩擦压降主导流量分配;热流比值大于1时,加速压降主导流量分配。通过增加进口压力、进口温度、进口总流量、选用I型布置、增大进出口管径、减小支管间距,可以有效抑制流量偏差。高热流偏差下会出现流量不连续和偏差管温度反向分层问题。相对流量偏差和(火积)耗散偏差的变化规律一致。提出的流量分配预测准则可较好的用于并联双通道内流量分配预测。针对矩形截面并联多通道流量分配特性,探究了运行参数和结构参数对流量分配的影响,通过流量偏差系数和温度偏差系数,以及质量流速和温度的分布特征对流量分配进行了机理分析和定量分析,进行了(火积)耗散分析。结果表明:增大进口压力、增大进口温度、增大进口总流量、选用I型布置、减小联箱长宽比、进出口联箱面积比为1时,流量偏差和(火积)耗散偏差均下降。

关键词：并联通道超临界煤油加速压降摩擦压降流量分配 (火积)耗散

竖直螺旋管中超临界RP-3航空煤油换热数值研究

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北京航空航天大学学报 2023年第5期49卷 1108-1115页

作者：王彦红陆英楠李洪伟李素芬东明东北电力大学能源与动力工程学院吉林132012 大连理工大学能源与动力学院大连116024

针对空-油换热器的冷却换热问题,开展了竖直螺旋管中超临界RP-3航空煤油换热的数值研究。探究了不同运行参数和结构参数下的换热特性和换热机理,包括沿流动方向的平均换热情况和沿管道周向的局部换热情况。考察管截面温度和二次流的分... 详细信息

针对空-油换热器的冷却换热问题,开展了竖直螺旋管中超临界RP-3航空煤油换热的数值研究。探究了不同运行参数和结构参数下的换热特性和换热机理,包括沿流动方向的平均换热情况和沿管道周向的局部换热情况。考察管截面温度和二次流的分布情况,通过流速和湍动能径向差别阐述了离心力对换热的作用机制,基于误差分析得到合理的换热关联式。结果表明:管下游表现为强化换热机制,低压力下还观察到局部传热恶化问题;离心力导致流体域温度横向异常分层,边界层厚度周向不均匀,管截面出现二次流;管外侧流速和湍动能高,换热显著优于管内侧;提高运行压力、降低热质比、增大绕径、增大螺距均抑制离心力作用,致使二次流强度减弱;Merkel换热公式可以较好实现螺旋管内航空煤油的换热预测。

关键词：螺旋管超临界煤油非均匀换热离心力二次流

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冷却通道内煤油结焦特性研究

冷却通道内煤油结焦特性研究

作者：王辉国防科学技术大学

学位级别：硕士

本文以超燃冲压发动机冷却流道内煤油的结焦特性为研究对象，通过测量结焦量和采用电子扫描显微镜观测，对不同温度、压力、滞留时间和热流密度条件下煤油的结焦特性展开了研究，最后实验验证了结焦对传热的影响。首先以相同时间内相同... 详细信息

本文以超燃冲压发动机冷却流道内煤油的结焦特性为研究对象，通过测量结焦量和采用电子扫描显微镜观测，对不同温度、压力、滞留时间和热流密度条件下煤油的结焦特性展开了研究，最后实验验证了结焦对传热的影响。首先以相同时间内相同面积上结焦量为评判标准，采用定量实验的方法研究了温度、压力、滞留时间和热流密度对结焦量的影响。得出了温度、压力、滞留时间和热流密度影响冷却流道中煤油结焦量的规律。然后采用电子扫描显微镜观测不同温度、滞留时间和热流密度下的结焦结构，进一步研究了温度、滞留时间和热流密度对结焦过程的影响，加深了对结焦形成过程的认识。观测中还发现了特别的结焦结构，例如鱼鳞状结焦和雪花状结焦。最后采用实验方法验证了升温过程和保温过程中结焦对传热的影响。在升温过程中，结焦的产生增加了加热热阻，从而使不锈钢壁温升高，加热功率增大;保温过程中由于结焦的产生增加了散热热阻，减小了散热量，从而使保温功率减小。在两个过程中，结焦的产生都增加了传热热阻，对传热有明显的影响。

关键词：主动冷却通道超临界煤油结焦过程传热

脉冲纹影技术及其在超声速燃烧室流场显示中的应用

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推进技术 2013年第1期34卷 42-46页

作者：袁越明杨猛张泰昌范学军中国科学院力学研究所/高温气体动力学国家重点实验室北京100190

超声速燃烧室内部流场具有流速快、温度高、背景光辐射强等特点,其流场显示较为困难。为此设计了一套脉冲纹影系统,该系统通过缩短曝光时间来冻结流场;另一方面,利用脉冲火花光源在短曝光时间内脉冲放电能量远高于燃烧室背景辐射能量的... 详细信息

超声速燃烧室内部流场具有流速快、温度高、背景光辐射强等特点,其流场显示较为困难。为此设计了一套脉冲纹影系统,该系统通过缩短曝光时间来冻结流场;另一方面,利用脉冲火花光源在短曝光时间内脉冲放电能量远高于燃烧室背景辐射能量的特点,有效消除了燃烧室背景辐射的影响。利用该系统对马赫数3.0的超临界煤油燃烧流场结构进行研究,得到了超临界煤油燃烧过程的清晰流场结构图像及其演化过程。

关键词：脉冲纹影超声速燃烧超临界煤油流场显示

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碳氢燃料超声速脉冲燃烧实验研究

推进技术 2014年第6期35卷 788-792页

作者：张泰昌王晶范学军中国科学院力学研究所/高温气体动力学国家重点实验室北京100190

主动冷却超燃冲压发动机一般使用碳氢化合物作为燃料,但是碳氢燃料存在点火延迟时间长,稳定燃烧范围窄等问题,这就迫切需要开展碳氢燃料点火和稳燃新方法的研究。脉冲燃烧可能是一种拓展超声速燃烧室工作范围的方式,但在超声速燃烧室内... 详细信息

主动冷却超燃冲压发动机一般使用碳氢化合物作为燃料,但是碳氢燃料存在点火延迟时间长,稳定燃烧范围窄等问题,这就迫切需要开展碳氢燃料点火和稳燃新方法的研究。脉冲燃烧可能是一种拓展超声速燃烧室工作范围的方式,但在超声速燃烧室内还没有开展相关研究。使用结构简单的脉冲火花塞(5Hz,50J/pulse),在马赫数2.5的直联式超声速燃烧室内,实验研究了乙烯和超临界煤油的超声速脉冲燃烧可能性、燃烧模式及影响因素。乙烯脉冲燃烧实验表明,在稳定燃烧范围以外存在脉冲燃烧,并能够提供有效的脉冲推力。乙烯脉冲燃烧主要存在于来流空气总温较低的条件下;随着总温的提高,脉冲燃烧将进一步引起稳定燃烧;当总温很高时,乙烯直接稳定燃烧,没有观测到脉冲燃烧现象。煤油的实验表明,本文所用的脉冲式能量补充无法实现超临界煤油的脉冲燃烧,煤油的脉冲燃烧可能需要更多的热量和自由基。

关键词：脉冲燃烧超声速燃烧乙烯超临界煤油