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推进技术 2024年第1期45卷 76-88页

作者：王奕凯孙波李登科代春良南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

为了研究预冷发动机进气道流动特性,以二维变几何轴对称进气道为研究对象,利用Zukauskas横掠管束绕流关系式,对进气道流场展开了数值仿真研究,探究预冷器的冷却效应及换热管直径对进气道流场、性能的影响。结果表明:Zukauskas关系式能... 详细信息

为了研究预冷发动机进气道流动特性,以二维变几何轴对称进气道为研究对象,利用Zukauskas横掠管束绕流关系式,对进气道流场展开了数值仿真研究,探究预冷器的冷却效应及换热管直径对进气道流场、性能的影响。结果表明:Zukauskas关系式能较好地预测气流在预冷器管束间的流动损失;经过预冷后,涡轮通道总温大幅下降,但总温分布不均匀,温度梯度明显,对流换热对上游流体总温产生的影响很小;在Ma_(∞)=2~5飞行工况下,换热功率随着飞行马赫数的增加而增大,涡轮通道的出口总温较预冷前降低了22%~60%,出口马赫数降低了17%~51%,反压比增加了10%~26%,总压恢复系数增加了3%~8%;当预冷器的管径从1 mm增大至2.5 mm时,涡轮通道出口速度降低了16.5%,反压比降低了1%,总压恢复系数呈现先下降后上升的趋势。将虚拟预冷器管束排布方式改为顺排,预冷器的换热功率下降,出口总温上升,涡轮通道的出口速度上升了11%~30%。

关键词：预冷发动机进气道 Zukauskas关系式宽速域横掠管束预冷特性

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预冷发动机进气道节流特性数值研究

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航空动力学报 2021年第3期36卷 553-563页

作者：王海孙波卓长飞满延进李宏东南京理工大学机械工程学院南京210094 中国航天科工集团有限公司北京动力机械研究所北京100074

为了研究预冷发动机进气道预冷前后的节流特性,以二维轴对称进气道为对象,使用多孔介质耦合源项法进行数值仿真研究,在不同涡轮通道流量系数的工况下对比了预冷效果和进气道预冷前后的气动性能。研究表明:随着涡轮通道流量系数增加,亚... 详细信息

为了研究预冷发动机进气道预冷前后的节流特性,以二维轴对称进气道为对象,使用多孔介质耦合源项法进行数值仿真研究,在不同涡轮通道流量系数的工况下对比了预冷效果和进气道预冷前后的气动性能。研究表明:随着涡轮通道流量系数增加,亚声速扩压段锥面压力降低,虚拟预冷区下游低速区面积缩小,而两通道出口总压恢复系数均呈下降趋势,同时涡轮通道流量系数较高的工况冷却效果更好;冲压通道出口总温受预冷区影响而下降,高速工况下降幅度较大,但下降幅度不受涡轮通道出口流量系数影响;相同涡轮通道流量系数的高速工况,经过预冷后涡轮通道流通能力增强。

关键词：预冷发动机进气道源项法多孔介质法总压恢复系数节流特性

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宽域可调轴对称进气道设计与预冷区耦合流动特性研究

宽域可调轴对称进气道设计与预冷区耦合流动特性研究

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作者：王奕凯南京理工大学

学位级别：硕士

吸气式预冷组合发动机因其所具有的宽速域、大空域和高比冲的优势,成为了组合动力发展的新方向。进气道是预冷发动机的关键组件,需要满足宽速域飞行的要求;同时,预冷发动机利用上千根弯曲排布的细微管组成的预冷器对进气道后的高温来流... 详细信息

吸气式预冷组合发动机因其所具有的宽速域、大空域和高比冲的优势,成为了组合动力发展的新方向。进气道是预冷发动机的关键组件,需要满足宽速域飞行的要求;同时,预冷发动机利用上千根弯曲排布的细微管组成的预冷器对进气道后的高温来流进行对流换热,在管束预冷区与其上游的宽范围、不均匀来流的耦合作用下,进气道的流场特性变得复杂。本文仿照SABRE-3预冷发动机的结构设计进气道,并建立预冷器的简化模型,利用CFD软件展开进气道与预冷器耦合流动特性的研究。本文针对Ma=2～Ma=5飞行工况设计了双通道宽域可调轴对称进气道,提出了进气道的变几何方案,并比较了变几何前后及自起动过程中,进气道的流动特性和出口性能。结果表明:当进气道中心锥前移后,入口截面面积缩小,同时喉道扩大,渐扩段长度延长,突扩段的面积增长率降低,进气道内收缩比降低。进气道内收缩比在不同工况下均小于Kantrowitz极限,在Ma=2～Ma=5工况下均实现了自起动。随着中心锥前伸量的增加,喉道逐渐向前移动,最后喉道移动至入口截面。对比调整前后的进气道气动性能,中心锥前伸后的进气道有着更低的自起动马赫数。为了寻找合适的预冷器数值模拟方法,本文利用Zukauskas关系式,建立了预冷器数值仿真模块,并验证了Zukauskas关系式在模拟预冷器的流动损失及对流换热时的准确性,结果表明:利用Zukauskas实验关系式模拟预冷器内的流动损失与对流换热是可行的,流动阻力系数与参考文献所得的数值模拟结果相差4%以内,换热功率的平均差值在6%以内,具有良好的精度,且克服了传统的多孔介质模型流动阻力随管束区雷诺数变化不明显的问题。最后,本文将预冷器简化模型与进气道进行耦合一体化计算,分析预冷器对进气道流动特性的影响,结果表明:预冷器的流阻作用对其下游的流场具有一定的整流作用,使涡轮通道的流量系数与出口马赫数小幅度的下降,并使结尾激波在低反压比下向下游移动、高反压比下向上游移动。在恒定流量的出口条件下,引入预冷器导致总压恢复系数下降、马赫数上升。气流经过预冷器后总温大幅下降,经过预冷后,涡轮通道出口密度上升,出口速度及马赫数下降,压力比与总压恢复系数略微上升,同时预冷器的预冷效应几乎不会对冲压通道产生影响。预冷器的管束直径与排布方式同样会对预冷性能产生影响,增大细微管直径、采用叉排排布方式均能提高预冷器的冷却效果。

关键词：预冷发动机进气道 Zukauskas关系式宽速域横掠管束预冷特性

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预冷效应耦合作用下全速域进气道设计与数值模拟

预冷效应耦合作用下全速域进气道设计与数值模拟

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作者：王海南京理工大学

学位级别：硕士

协同吸气式火箭发动机(Synergic Air Breathing Engine,SABRE)是一种吸气式发动机和火箭发动机高度集成的组合预冷发动机,其飞行速域宽,吸气模态(Ma0-5)下涡轮燃烧室和亚燃冲压燃烧室分别独立工作,涡轮燃烧室前安装了压气机,因此对进气... 详细信息

协同吸气式火箭发动机(Synergic Air Breathing Engine,SABRE)是一种吸气式发动机和火箭发动机高度集成的组合预冷发动机,其飞行速域宽,吸气模态(Ma0-5)下涡轮燃烧室和亚燃冲压燃烧室分别独立工作,涡轮燃烧室前安装了压气机,因此对进气道总压恢复系数的要求不高,但需要涡轮通道维持相对稳定的空气流量。预冷器由微通道换热管束排列而成,预冷器流场与进气道流场耦合在一起互相影响,合适的数值模拟方法是研究难点。本文仿照SABRE发动机结构设计了预冷发动机进气道,通过两种计算方法模拟预冷器效果,获得了预冷发动机进气道流场特性。首先,设计单锥轴对称可调进气道,在全速域工况下对其进行数值模拟,并且进行了无预冷进气道节流特性研究,结果表明:进气道基本实现全速域工作,涡轮通道流量变化平稳;Ma5无预冷工况的涡轮通道近乎壅塞;高马赫数工况下,进气道对涡轮通道流量的抗干扰能力更强。其次,通过多孔介质耦合源项法对预冷工况的进气道进行了数值模拟,并且研究了预冷工况的进气道节流特性,结果表明:Ma2-5预冷工况的涡轮通道出口总温降至200-300K;经过预冷后Ma5工况的涡轮通道马赫数降低至0.3,极大地缓解了壅塞状态;虚拟预冷区内各项气动参数不均匀,下游形成低速低温区;涡轮通道流量越大,虚拟预冷区降温效果越好,而冲压通道总温几乎不受流量分配情况的影响;两通道总压恢复系数与涡轮通道流量系数呈负相关,可以牺牲部分涡轮通道流量以提高两通道总压恢复系数。最后,对孔壁换热的不同数值传热方法进行了初步探索,同时从SABRE预冷器几何特征着手将其简化为无环绕流的轴对称管束模型,在Ma2-5工况下对基于孔壁换热的进气道流场进行了仿真,并与不同出口条件的无预冷流场进行了对比。结果显示:通过孔壁换热区模拟预冷器的流动换热是可行的,在50-100m/s的来流条件下,使用冷气侧传热系数h=3000W/(m·k)的管束模型对来流的冷却效果最贴近试验拟合公式;飞行马赫数越高,进气道的涡轮通道降温幅度越大,但出口总温仍是上升趋势;孔壁换热区具有较强的整流作用,换热区下游的总温和马赫数分布均匀;孔壁换热区下游的总压恢复系数仅为上游的40%左右。

关键词：预冷发动机进气道源项多孔介质管束换热节流特性

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