液体推进剂火箭发动机推力室再生冷却通道三维流动与传热数值计算

应用湍流模型对液体推进剂火箭发动机再生冷却推力室通道的流动与传热进行了三维数值模拟,冷却工质为氢气,其密度、导热系数、动力粘度随着温度和压力而变化,冷却剂比热容及金属固体物性随着温度而变化。计算采用标准k-ε双方程湍流模型及气-固耦合算法。结果表明:推力室燃气侧壁面的温度和热流密度的最高点均发生在喉部附近,喉部横截面固体区域最大温度梯度靠近燃气,喉部附近氢气在垂直主流方向的截面上产生了二次流。气固耦合面最大热流密度及最大对流换热系数同样位于推力室喉部附近。

通道深宽比对液体火箭发动机推力室再生冷却的影响

应用湍流模型对液体推进剂火箭发动机再生冷却推力室通道的流动与传热进行了三维数值模拟,冷却工质为氢气,其密度、导热系数、动力粘度随着温度和压力而变化,冷却剂比热容及金属固体物性随着温度而变化.计算采用标准k-ε两方程湍流模型及气-固耦合算法.保持再生冷却通道个数及冷却工质进口流量不变,通过改变通道肋壁厚度来改变冷却通道深宽比,研究不同深宽比对推力室壁面再生冷却效果的影响规律.计算结果表明:增加通道深宽比对推力室壁面能够起到强化传热的作用,但同时也增加了冷却通道的进出口压差.这是由于冷却工质流速的增高,从而提高了推力室传热系数.随着深宽比不断增加,推力室再生冷却效果趋于饱和,而冷却工质进出口压降则不断上升.

超燃冲压发动机再生冷却结构的多目标优化设计

针对当前超燃冲压发动机再生冷却结构的优化研究存在对经验关联式依赖的问题,且对流动压力损失问题重视不足,采用响应面法结合多目标遗传算法,以燃气侧平均壁温和流动压力损失为优化目标,对单根再生冷却通道的肋高、槽宽和肋厚进行优化设计。结果表明:肋高对优化目标的影响程度最大,其次是槽宽、肋厚,且不同进口质量流量下设计变量对优化目标的影响规律是相似的。计算得到设计工况下的Pareto最优解集后,从中可选取多组综合流动换热性能优于初始通道的结构。对解集中一组优化通道进行圆整并以进口质量流量为设计变量建立响应面,获得了冷却平板的设计方案及1.539~9.604kg/s的允许进口质量流量范围。

超燃冲压发动机燃烧室冷却通道的优化设计

为改善超燃冲压发动机燃烧室冷却系统的流动换热综合性能,研究了再生冷却通道的优化设计。针对当前冷却系统难以在获得较高冷却效率的同时保持较小的流动压力损失,在建立的一维流动传热数值模型基础上,采用混合罚函数法,以通道高度、宽度、内壁和肋片厚度为待优化变量,以平均努塞尔数与平均流动阻力系数之比—f函数作为优化目标,对再生冷却通道进行优化设计。计算结果分析表明:优化后的冷却通道综合性能得到明显改善,采用f值作为评价冷却通道综合性能的参数是合理的。

基于神经网络的变截面再生冷却结构优化设计

针对目前再生冷却结构优化研究存在参数对比范围窄、依赖于经验关系式等问题,根据航空发动机燃烧室特点提出了一种变截面宽度再生冷却通道,并采用神经网络模型结合数值模拟结果,以通道出口燃油温度相对标准差、燃气侧最高壁温及壁温相对标准差为目标,预测了全参数范围内不同槽宽和、槽宽比及肋高下目标函数的变化规律。预测结果表明:当槽宽和较小时,增大肋高可以强化换热,但当槽宽和较大时,需减小肋高才能强化换热,这也揭示了为何有些文献中关于肋高对换热性能影响的结论会相反;此外,存在一个最佳槽宽比范围,可使得三个目标函数均最低;增大槽宽和可以明显降低燃气侧壁温及其不均匀度,减小肋高可以缩小不同管道出口燃油温度的差异。从预测空间内可选取多组综合流动换热性能较优的结构,优化后三组目标函数的加权值降低了9.09%。

推力室内壁热结构寿命预估及延寿技术研究

为了研究推力室内壁热结构的寿命预估方法,探索延长内壁循环寿命的可行性措施,基于热试验验证后的传热计算,利用内壁寿命预估经验公式对国内大推力氢氧推力室的再生冷却通道内壁寿命进行了估算,并与热试车结果进行了对比分析。结果表明,喉部及其附近区域寿命预估与热试车结果基本一致,传热计算和寿命预估公式适用于该类高深宽比冷却通道内壁寿命的近似预测。在此基础上提出了提高推力室内壁寿命的可行性措施,相关结论可为再生冷却通道结构设计方案的合理选择提供相应的参考。

推力室冷却通道结构可靠性仿真及参数敏感性分析

为了准确高效评估液体火箭发动机推力室身部再生冷却通道的结构可靠性,建立了基于有限元热结构耦合计算的结构可靠性仿真流程。考虑发动机干扰因素、身部结构尺寸及内外壁材料性能的随机性,利用Monte Carlo(MC)仿真和Epps-Pulley(EP)检验确定危险点的等效应力分布,根据基于参数估计区间的应力-强度干涉模型及点估计下限和Lindstrom-Maddens(L-M)法,确定冷却通道结构可靠度置信下限,并进行参数敏感性分析。结果表明:该结构可靠性仿真能够确定内壁失效的危险点,得到工程上更具实用价值的可靠度置信下限;外壁的强度裕度远大于内壁,冷却通道的结构可靠性取决于内壁;提高推力室燃烧效率或选用导热率稍低,而强度更高的内壁材料,是提高冷却通道结构可靠性的有效途径。