液体火箭发动机推力室及钝体头锥发汗冷却研究

论文摘要

层板发汗冷却已在一些场合得以应用,但层板成本目前仍然非常昂贵,而针对粉末烧结多孔介质发汗冷却的理论和应用研究还远远不够。本文选用SST k-ω湍流模型对采用烧结多孔介质进行发汗冷却的液体O2/H2火箭发动机推力室进行了全场耦合数值模拟研究。模型中考虑了不同孔隙率、渗透率、变物性、超音速可压缩性、微多孔流动的速度滑移效应、多孔介质热弥散效应以及异质气体传质等因素的影响,得到了微多孔区内低雷诺数渗流与主流区超音速流动耦合的发汗冷却全场解。对比再生冷却分析了不同注入率对壁面温度、冷却效率以及边界层厚度的影响;数值模拟计算结果与实验以及一维气动公式计算结果吻合较好。烧结多孔结构用于强压力梯度流动的喷管发汗冷却时会存在注入率沿室壁分布极不均匀的问题,导致冷却剂浪费;为此本文提出了对多孔壁沿轴向用气密材料进行隔断的分段发汗冷却结构,给出了分段的原则及每段冷却剂进口压力分配方法。对分四段结构喷管的数值模拟的结果表明,相比不分段而言分段结构可减少一半冷却剂流量。分段设计为实现冷却剂流量的工程优化提供了一种可行的途径。针对另一种典型的曲面流动,本文还进行了绕流钝体发汗冷却流动换热实验,研究了主流温度、注入率、雷诺数对发汗冷却壁温及冷却效率的影响。考虑了微多孔内流动Klinkenberg效应对流动阻力系数影响的数值模拟结果与实验吻合较好。实验研究和数值模拟揭示了曲面压力梯度、注入率、烧结多孔材料、孔隙率、渗透率、微尺度以及尾迹流等因素对发汗冷却壁温的影响规律,分析了上游多孔段发汗对下游的有效性。超音速导弹弹头发汗冷却数值模拟研究中,通过网格动态自适应方法以高分辨率精确捕捉到了弹头前弓形激波,研究了超音速气动加热下发汗冷却二次流、激波及边界层之间的相互作用。和经典的气动热力学公式对比表明:数值模拟准确地预测了激波面前后参数以及气动加热参数,在超音速气动加热条件下发汗冷却二次流对激波的外推作用和对边界层的增厚效应使得导弹弹头及下游无发汗窗口段可以得到有效的热防护。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 发汗冷却研究概述
• 1.3 研究现状
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 液体火箭发动机推力室发汗冷却数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 物理模型及网格划分
• 2.3 数学模型及边界条件
• 2.3.1 边界条件
• 2.3.2 流动状态的判断
• 2.3.3 基本方程
• 2.3.4 湍流模型
• 2.3.5 多孔介质流动换热模型
• 2.3.6 物性模型
• 2.3.7 传质模型
• 2.4 计算方法
• 2.4.1 求解器
• 2.4.2 数值计算格式
• 2.4.3 自定义模型的加入
• 2.4.4 加速计算收敛的一些方法
• 2.5 结果与分析
• 2.5.1 数值模拟结果与实验验证
• 2.5.2 数值计算结果与气动理论公式对比
• 2.5.3 注入率对气壁温及冷却效率的影响
• 2.5.4 发汗冷却对壁温峰值的影响
• 2.5.5 发汗冷却对喷管边界层的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 发汗冷却喷管多孔壁面的分段设计分析
• 3.1 引言
• 3.2 整段烧结多孔壁发汗冷却的问题
• 3.3 多孔壁的分段与冷却剂进口压力分配原则
• 3.4 多孔壁分段发汗冷却的效果
• 3.5 分段设计具体应用
• 3.6 本章小结
• 第4章 钝体头锥发汗冷却实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验系统概述
• 4.2.1 烧结多孔实验段及冷却剂参数
• 4.2.2 实验段在主流风洞中的安装
• 4.3 物理量的测量
• 4.4 实验步骤
• 4.4.1 不同注入率影响的实验
• 4.4.2 不同主流温度影响实验
• 4.4.3 不同主流Re 影响的实验
• 4.5 实验误差分析
• 4.6 实验结果及分析
• 4.6.1 相同主流速度下不同注入率的影响
• 4.6.2 相同注入率下不同主流温度影响
• 4.6.3 不同主流Re 的影响
• 4.6.4 钝体头锥多孔介质中流动实验结果与分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 钝体头锥发汗冷却数值模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 钝体头锥的发汗冷却数值模拟研究
• 5.2.1 物理模型及网格划分
• 5.2.2 数学模型及控制方程
• 5.2.3 边界条件及计算方法
• 5.2.4 数值计算结果的实验验证
• 5.2.5 不同渗透率的影响
• 5.2.6 不同孔隙率的影响
• 5.2.7 不同烧结多孔颗粒基质材料的影响
• 5.2.8 边界条件取速度进口或压力进口的影响
• 5.2.9 尾迹流及冷却剂腔室边界的影响
• 5.2.10 异质冷却剂的影响
• 5.3 发汗冷却对下游无发汗壁面的有效性
• 5.3.1 物理模型及网格划分
• 5.3.2 计算结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 超音速导弹弹头发汗冷却初步数值模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 物理模型及网格划分
• 6.3 数值模拟及结果分析
• 6.3.1 超音速弹头发汗冷却的有效性
• 6.3.2 异质气体发汗的比较
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果