组合发动机预冷器微小管道内低温工质流动传热机理研究

发布时间：2020-06-26 12:38

【摘要】：本文主要针对预冷组合循环发动机及其预冷器开展工作,验证了空气预冷组合发动机循环方案及预冷器的作用,并开展了预冷器换热管内低温工质的流动沸腾传热研究,能够对预冷器设计提供一定指导。针对空气深度预冷组合循环发动机开展性能分析计算,选择SABRE作为研究对象,采用部件法进行准稳态建模,匹配计算得到了吸气式模态下飞行走廊内发动机的性能参数变化规律,并研究了预冷器对发动机性能的影响作用。结果表明推力计算误差小于6%,模型能够较为准确地模拟SABRE发动机吸气式模态的性能参数;该发动机兼具火箭发动机大推力和航空发动机高比冲的特点,吸气式模态下比冲介于28000~44000s;氦气回路需要添加减压器,通过调节减压器开度可使回路压力保持平衡;通过预冷器将入口空气温度降低,可使发动机高度速度区间拓宽至25kmMa5,实现高超声速飞行。从?守恒角度出发,分析计算了吸气式模态下发动机循环效率的变化规律,确定了循环过程的关键影响因素是当量比,并提出了循环优化方法。结果表明:飞行走廊内,发动机循环效率介于29.7%~41.7%,喷管出口燃气排出的?主要为未燃烧的氢气所具有;发动机各部件都存在?损失,其中主燃烧室、预燃室、预冷器和高温换热器四部分的损失大于总损失的71.3%;预冷器的性能提升对发动机非常重要,据此提出两种循环优化方案,其中氦气回路调节是通过提高预冷器出口氦气温度,而氦气再循环方案则是增加预冷器局部冷却剂流量,两种方案均能够提高预冷器换热性能,可使循环效率分别提高3%和5.6%。预冷器结构参数和性能计算模型对发动机性能产生影响,尤其是换热管内流动传热模型影响工况边界,需要采用准确的微小通道流动传热模型,有必要开展微小通道内低温工质流动传热特性研究。综合采用试验、数值仿真和理论分析的方法,对小通道换热管内低温工质流动传热特性开展了研究,建立了低温工质流动传热试验系统,系统通过抽真空和降低环境温度结合的方式降低环境热流影响,可满足微小流量低温工质试验要求。微小通道内液氮单相流动换热特性受热流密度、质量密流和管径影响,当壁面粗糙度较小时,基本可以采用常规通道关联式预测;而粗糙度较大时,考虑了粗糙度影响的Colebrook和Gnielinski关联式具有较高的预测精度。液氮两相流动压降特性可由均相模型预测,随着热流密度的增大,沸腾换热系数先增大后减小;密流和入口压力的增加有利于提高换热系数;管径越小,换热系数越大。液氮的沸腾换热随干度可以划分为两种区域:饱和沸腾区和传热恶化区,临界干度为0.15。其中饱和沸腾区的换热系数随着干度的增大而逐渐降低,在低干度时以核态沸腾为主导换热模式,随着干度的增大,逐渐出现液膜的局部蒸干,主导换热模式为膜态沸腾。Tran关联式更适用于小通道中的液氮流动沸腾换热系数预测,对0.5mm和1.2mm通道的对流换热系数平均预测精度分别为35%和45%。气泡生长过程主要受热力控制,气泡生长前期维持球形状态,其直径随时间基本成线性增长,直到通道尺寸效应发挥作用,壁面限制作用将使气泡向上下游迅速膨胀。增大液体过热度、降低系统压力、减小入口速度、减小管径,气泡生长速度将会越快。气泡生长频率越大,相邻的两个气泡越容易融合,拉长气泡的形成是气泡生长与融合的共同作用;降低气泡生长频率,气泡融合现象不再出现,各气泡相互独立生长。
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V430
【图文】：

化空气作为氧化剂[2-4]，如图 1.1 所示。该发动机最大的优点是两种模态下发动机共用一套喷管，从而节省了重量和空间。LACE 发动机的最主要缺点是燃料消耗量过大，这是由空气液化过程决定的，其比冲仅有 800 秒。假设液氢增压至 200 大气压，在海平面静止状态 1 个大气压下，燃料/空气比为最小值 0.35，为恰好当量比燃空比（约为 0.029）的 12 倍。因此虽然该发动机推重比和飞行马赫数范围满足要求，比冲过低使其性能大打折扣。

化空气作为氧化剂[2-4]，如图 1.1 所示。该发动机最大的优点是两种模态下发动机共用一套喷管，从而节省了重量和空间。LACE 发动机的最主要缺点是燃料消耗量过大，这是由空气液化过程决定的，其比冲仅有 800 秒。假设液氢增压至 200 大气压，在海平面静止状态 1 个大气压下，燃料/空气比为最小值 0.35，为恰好当量比燃空比（约为 0.029）的 12 倍。因此虽然该发动机推重比和飞行马赫数范围满足要求，比冲过低使其性能大打折扣。

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本文编号：2730321