气膜冷却在超燃冲压发动机上的应用及影响因素研究

发布时间：2017-07-21 01:17

  本文关键词：气膜冷却在超燃冲压发动机上的应用及影响因素研究

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【摘要】：超燃冲压发动机被认为是最理想的高超声速飞行器的推进装置,然而由于飞行的马赫数较高,热环境恶劣,为了保证发动机长时间可靠工作,需要一种高效的主动冷却方式。本文针对碳氢燃料的超燃冲压发动机提出了一种再生/气膜复合的冷却方案,以解决更高马赫数下单一再生冷却燃料热沉不足的问题,并对超声速主流中的气膜冷却展开了系统的研究。本文首先建立了气膜冷却的数值模拟方法,并利用试验数据对其进行了验证。之后对再生/气膜复合冷却的冷却效果进行了评估,对比分析了复合冷却与再生冷却的冷却效果,表明气膜冷却的引入明显提高了冷却效果。因此需要对气膜冷却展开深入的研究。通过数值模拟对无激波情况下的超声速主流中的气膜冷却展开了一系列的研究。利用量纲分析的方式对超声速主流中的气膜冷却的影响因素进行了归纳总结,然后分析了冷却流湍流度,主流边界层厚度,主流压力梯度及冷却流入射角度对气膜冷却的影响。结果表明湍流度的增加降低了气膜冷却效率,主流边界层厚度的影响则比较复杂,主流扩张则能提高冷却效率,冷却流入射角度的影响在较高吹风比下比较明显。通过数值模拟分析了斜激波与激波串对气膜冷却的影响,讨论了斜激波强度,位置,及激波与扩张段和吹风比的共同的影响。结果表明不同气膜冷却区域抗激波影响能力不同,激波强度的增加会降低气膜冷却效率,扩张段角度的提高和吹风比的增加会提高气膜冷却效果。最后对带有化学热沉的油气膜冷却进行了数值和试验研究,对比分析了化学热沉对气膜冷却效果的影响,讨论了吹风比对带有化学热沉的油气膜冷却效果的影响。结果表明裂解反应一方面会吸收热量,提高气膜冷却效率,另一方面由于体积膨胀也会干扰流动提高湍流度,促进主流与冷却流的掺混,降低气膜冷却效率,因此化学热沉并没有使的气膜冷却效率一直提高。吹风比的增加增强了裂解反应对流动的干扰,导致冷却效率降低的区域增大。
【关键词】：超燃冲压发动机 气膜冷却 复合冷却 激波 化学热沉
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V23
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 课题研究背景及研究的目的和意义9-13
• 1.1.1 课题研究背景9-13
• 1.1.2 研究目的及意义13
• 1.2 国内外研究现状及分析13-19
• 1.2.1 超声速气膜冷却流动特性研究14-16
• 1.2.2 超声速膜冷却传热特性研究16-19
• 1.3 超声速气膜冷却研究面临的问题19-20
• 1.4 本文研究内容及章节安排20-21
• 第2章 超声速主流中再生/气膜复合冷却方案研究21-34
• 2.1 引言21
• 2.2 再生/气膜复合冷却方案简介21-22
• 2.3 再生/气膜复合冷却计算模型22-27
• 2.3.1 几何模型及边界条件22-23
• 2.3.2 守恒方程23-24
• 2.3.3 流体物性处理24-27
• 2.4 气膜冷却数值计算方法验证27-28
• 2.5 再生/气膜复合冷却效果分析28-32
• 2.6 本章小结32-34
• 第3章 无激波情况下气膜冷却影响因素研究34-60
• 3.1 引言34-35
• 3.2 主要影响因素的无量纲分析35-37
• 3.3 冷却流湍流度对气膜冷却的影响37-42
• 3.3.1 物理模型及参数37-38
• 3.3.2 计算结果及分析38-42
• 3.4 主流边界层厚度对气膜冷却的影响42-46
• 3.4.1 物理模型及参数42-43
• 3.4.2 计算结果及分析43-46
• 3.5 压力梯度对气膜冷却的影响46-51
• 3.5.1 模型及参数46-47
• 3.5.2 计算结果及分析47-51
• 3.6 冷却流入射角度对气膜冷却的影响51-58
• 3.6.1 物理模型及参数51-53
• 3.6.2 计算结果及分析53-58
• 3.7 本章小结58-60
• 第4章 激波对超声速气膜冷却的影响60-79
• 4.1 引言60
• 4.2 斜激波对气膜冷却的影响60-67
• 4.2.1 激波强度对气膜冷却的影响61-65
• 4.2.2 激波位置对气膜冷却的影响65-67
• 4.3 激波与其他影响因素相互作用67-73
• 4.3.1 激波与吹风比的共同影响67-70
• 4.3.2 激波与扩张角的共同影响70-73
• 4.4 背压产生的激波串对气膜冷却的影响73-77
• 4.5 本章小结77-79
• 第5章 高温油气膜冷却研究79-90
• 5.1 引言79
• 5.2 化学反应模型79-81
• 5.3 不同吹风比下高温油气膜冷却效率研究81-85
• 5.4 带化学热沉的油气膜冷却效果验证试验85-89
• 5.4.1 试验系统简介85-87
• 5.4.2 瞬态气膜冷却效率及测量87-88
• 5.4.3 试验结果及分析88-89
• 5.5 本章小结89-90
• 结论90-92
• 参考文献92-97
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果97-99
• 致谢99

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