热态壁面条件下的液膜冷却实验与仿真

为了获得射流流量和射流角对液膜铺展形态、壁面温度、液膜厚度的影响规律,设计并自主搭建了基于热态壁面条件的液膜冷却实验系统,开展了射流角为25°~45°、射流流量为200~400 mL·min^(-1)的液膜冷却实验研究。研究结果表明,随着入射角的增大,铺展长度减小,铺展宽度、扩张角增加;而在射流角一定时,随着液膜流量的增加,液膜铺展的长度、宽度和扩张角都有所增加。特别地,当射流角为25°、射流流量从300 mL·min^(-1)增加至400 mL·min^(-1)时,液膜长度最大增加量为20.94 mm,且增加射流流量能够有效降低壁面温度,当入射角为35°、液膜流量为300 mL·min^(-1)时,冷却前后壁面温度最大可降低141.81℃;液膜在壁面撞击点处有厚度峰值,且液膜流量越大峰值越高,当入射角为25°、流量为400 mL·min^(-1)时,最大峰值达679.32μm。采用流体体积法(VOF)构建了液膜冷却仿真模型,计算液膜的蒸发吸热、流动铺展过程,研究结果表明,射流流量为300 mL·min^(-1)时,液膜厚度模拟结果与实验结果最大偏差为7.9%,误差控制在工程应用允许的10%范围内,从而验证了VOF方法对射流撞壁形成液膜模拟的可行性。该研究可为液体火箭发动机液膜冷却技术提供一定的参考。

液体火箭发动机燃烧室液膜冷却数值研究

对液体火箭发动机燃烧室中的液膜冷却进行了数值模拟.采用有限容积法对燃气和液膜控制方程同时进行求解,对燃气和液膜分别采用标准k-ε模型和修正的Van Driest模型描述其湍流流动.燃气的辐射传热采用热流模型计算,同时对液膜干涸点下游的流动与传热进行了模拟.详细研究了气液界面上质量、动量和热量的传输特性,发现当壁面绝热时,燃气对流传热和液膜蒸发所吸收的汽化潜热在界面热量传递中起主导作用,但燃气的辐射传热和液膜显热不能被忽略.同时,分析了各种因素对液膜长度的影响,计算结果与实验符合良好,对工程实践有指导意义.

液体火箭发动机液膜冷却研究综述

液膜冷却对降低燃烧室和喷注器头部温度有显著作用,而且通道结构比较简单,因此在载人航天液体推进系统用姿轨控发动机中得到了广泛应用。液膜冷却的传热过程主要包括对流传热和沸腾传热两种形式,传质过程主要包括液膜的蒸发和中心主气流对液膜的携带。对液膜冷却过程的研究工作进行了综述,讨论了液膜冷却的异常升温现象和发生机理。

液氧/煤油高压推力室液膜冷却环局部过热分析

液氧/煤油发动机高压推力室采用了多条液膜冷却环带技术。由于室压高和热流密度大,易出现冷却环带结构局部过热现象,局部过热(甚至局部烧蚀)有时发生在燃烧室收缩段的冷却环上沿。传热计算和对比分析表明,在降低边区混合比的同时,第一冷却环带流量增大25%,可使过热处气壁温下降约35℃。采取增加冷却环带流量、降低燃烧室边区混合比、改善液膜冷却局部喷注结构等措施有利于燃烧室壁面的热防护,可防止局部过热的发生。

液氧/甲烷液体火箭发动机推力室跨临界液膜冷却数值模拟

为了探究跨临界液膜冷却的耦合传热特性,采用带真实气体状态方程的非绝热扩散火焰面模型,并考虑再生冷却耦合传热,对液氧/甲烷液体火箭发动机推力室跨临界液膜冷却进行数值研究。分析液膜流量和冷却环带的分布对推进剂的掺混和燃烧、壁面热流分布、冷却效率的影响。结果表明,头部注入的膜冷却剂会在主流剪切力作用下在回流区逆时针流动,而推力室下游区域注入的冷却剂进入燃烧室之后,会沿着推力室壁面沿着下游流动形成低温保护膜;头部注入的膜冷却存在一个最佳冷却剂流量,而对于推力室下游的膜冷却,冷却剂流量越大,喷管区域壁面冷却效率越高;Case 6这种采用相隔较近的双排冷却环带布置方式的推力室壁面温度不均匀程度最低,平均冷却效率最高,而且在膜冷却流量越大时,冷却效率比其他工况增高得更加明显。

双组元推力器雾化燃烧过程数值模拟及液膜冷却作用分析

在带有液膜冷却双组元推力器的设计过程中,对燃烧室的数值仿真是一项非常重要的工作.充分考虑了常被忽略或简化处理的推进剂雾化、液滴破碎、液膜形成等重要过程,选取EDC燃烧模型和realizable k-ε湍流模型,采用有限体积计算方法得到燃烧室内部液滴分布、液膜分布、静温分布等重要数据.最后,根据所得结果阐述了燃烧室内的详细工作过程,并着重分析了液膜的分布特点以及对壁面的冷却作用,得到了两个与液膜冷却相关的结论.

液体火箭发动机液膜冷却研究综述

液膜冷却是液体火箭发动机的一种重要的冷却方式,具有冷却结构简单、冷却能力强等优点,一般与其他冷却方式结合,实现对发动机的冷却。液膜冷却对发动机的热防护可靠性和发动机比冲均有重要的影响。通过追踪国内外液膜冷却研究现状,从液膜的形成、中心气流对液膜的夹带作用、液膜冷却分析模型以及液膜冷却对发动机性能的影响等方面,梳理了液膜冷却的研究文献,总结了当前研究中存在的不足,并从冷却剂注入结构、中心气流对液膜夹带特性、液体火箭发动机液膜冷却计算方法和推力室冷却结构/技术方案等方面提出研究展望。

小推力液体火箭发动机沉降型液膜冷却液膜长度研究

沉降型液膜冷却是指从喷嘴向壁面以一定角度喷注某种液滴,液滴到达壁面沉降形成液膜,实现对壁面热防护的一种方法,常用于小推力液体火箭发动机热防护系统中。采用Stechaman半经验方法对决定液膜冷却效果的关键参数——液膜长度求解。采用k-w模型描述湍流流动、Eulerian-Lagrangian模型描述两相流,采用C/C++语言编写Bai-Gosman液滴撞壁模型程序,采用数值模拟推进剂液滴撞壁后复杂的状态变化过程,考虑壁面热辐射,对400N双组元MMH/NTO自然推进剂发动机推力室内的蒸发、流动、燃烧和传热过程进行了数值模拟。在采用半经验公式方法求解液膜长度的过程中,分析了液膜流量对液膜长度的影响,研究了该方法的实际应用情况。实验结果表明,该方法可以较好地计算液膜长度,计算结果与实验具有较高的一致性,对工程实践具有重要的指导意义。

双组元姿控发动机液膜冷却对性能的影响分析

本文通过分析液膜/辐射冷却的双组元姿控发动机的工作特点,根据两边区流管的卷吸模型,按混合比近似地将燃烧室流场分为一个中心区和两个边区,计算了液膜/辐射冷却的低推力液体火箭发动机液膜冷却对性能损失的影响。并分析了考虑性能分析的结果,及综合传热模型对发动机的设计参数的选择。本文的方法可为同类发动机设计中的性能计算及参数优化提供参考。

液膜冷却对火箭发动机燃烧效率的影响

液膜冷却对发动机热防护和性能均有重要的影响,为了研究不同液膜注入条件对燃烧效率的影响,开展了燃烧室液膜冷却热试试验研究。试验中改变了射流流量、冷却孔的数量、射流倾角,并测量了两排分别位于正对冷却孔位置和两冷却孔之间位置的燃烧室壁温,计算了不同工况下的燃烧效率。结果表明:推力室点火后,液膜的注入会压低温度曲线上升的斜率;在热试实验研究中,在相同的液膜流量下,不同的液膜注入方式并未对燃烧效率产生显著的规律性影响;头部混合比在3.6附近时,液膜流量占燃烧室总流量的百分比每提高2.3,则燃烧室的燃烧效率降低约1。

液膜冷却和二次燃烧的双组元发动机的性能和温度特性

利用 GEMCHIP 程序的数值模拟方法.检验了燃料液膜冷却的双组元发动机边界层扰流块对燃烧性能的改善,以及性能的增益与扰流块几何形状的关系。改善燃烧的主要机理是在于强化了中心区和边界区火焰的燃烧。即处于中心区的燃料液滴的正常燃烧和被边界层扰流块迫使参与液膜冷却的燃料液滴向中心区转移而加强。另外,扰流块后的尾区里的一些氧化剂液滴.在富燃的近壁区开始了共轭燃烧。对于一种没有预先混合的双组元喷注器,在有扰流块的燃烧室中。氧化剂和燃料的燃烧效率所得到的增益,高达20～30％。为改善燃烧,对扰流块的三种结构方案进行了模拟实验,其中,裁面为三角形和矩形的扰流块结构在燃烧效率上比截面为半圆形的扰流块能获得更高的增益。对于预先混合型的喷注器(有很高的燃烧效率),燃烧效率的增益相当高,其总的燃烧效率达到0.99甚至更高。本文还讨论了将来的研究领域,涉及燃烧中的涡流问题。

液体火箭发动机燃烧室壁液膜冷却的数值模拟

为研究液体火箭发动机的液膜冷却,建立了液膜模型。考虑核心气流与液膜间的对流传热,辐射传热以及壁面与液膜的对流传热分析传热量,由液膜的卷吸和液膜的蒸发计算传质,并由气液界面和液固界面的摩擦力分析流动情况。在400N小发动机内流场数值模拟中采用了该液膜模型,计算得到的壁面温度分布与试验结果符合较好,表明该模型是合理可行的。改变发动机燃烧室半径和圆筒段长度,将数值模拟结果对比分析发现:在一定范围内随着半径和圆筒段长度的增加,液膜长度减小,室壁温度升高,冷却效果变差。研究结果可为发动机的设计提供参考。

高超声速边界层液膜演化过程和冷却机理研究

高超声速液膜冷却技术是通过一系列狭缝或孔洞压出冷却工质,在飞行器表面边界层形成一层低温冷却膜,阻止高超声速气流对飞行器的气动加热.其作为一种主动冷却方式在高超声速飞行器表面热防护有着巨大的应用潜力.文章采用数值方法,结合VOF模型,研究25 km飞行高度和Ma=5气流条件下的液膜铺展情况,并通过不同冷却工质的入射速度、角度、表面张力和黏性系数条件,讨论了液膜在平板上的演化过程和冷却机理.结果表明,在气流作用下,液膜向壁面下游发展,液膜的存在导致边界层分离,连续液膜会在一定位置断裂为液块,然后进一步破碎为液滴.入射条件和液体性质的改变,会影响液膜沿流向的发展,具体表现在连续液膜断裂点的位置和连续液膜的厚度.在所设定的计算域内,壁面热流降低了80%~95%,液膜对壁面的冷却效率随着液膜形态的变化而变化.

基于正交法和Kriging模型的液体火箭发动机液膜冷却优化

通过FLUENT对火箭发动机推力室中跨临界甲烷液膜冷却稳态流场进行数值传热计算。根据正交法设计试验,得到不同膜孔孔径、轴向夹角、径向夹角和孔型四个影响因素共同作用下的冷却效果,选出最优的膜孔几何参数组合.在采用最优膜孔几何参数组合的条件下,基于最优拉丁超立方抽样建立Kriging模型,利用遗传算法得到多目标条件下最优的跨临界液膜质量流量、冷却环带的分配比和位置。结果表明,正交法和Kriging模型可以解决液体火箭发动机液膜冷却优化高设计成本和数值噪声问题。正交试验设计考虑的因素中,影响冷却效率和不均匀度的最大的因素依次为孔型、孔径、径向夹角和轴向夹角。最优的几何参数组合为孔径0.003mm,轴向夹角45°,径向夹角15°,孔型为扩散型。建立的Kriging模型能准确反映液膜质量流量、液膜分配比和冷却环带位置与目标函数的关系。最终得到的优化方案平均冷却效率提高4.9%,不均匀度减少0.025,比冲损失增加0.37%,总目标函数提高184%。优化后涡对的不对称性使得冷却剂展向分布更加均匀,同时反向涡对衰减更快,增强了液膜的附壁性,从而提高冷却效果。

材料物性对抛物线形波纹基底上冷却液膜流动传热特性的影响

为分析比较不同材质基底上冷却液膜的流动传热特性,提出一种抛物线形波纹基底,并且分析了不同材料物性对这种新的基底上冷却液膜流动传热特性的影响。利用FLUENT软件,对选用不同材料基底时液膜的温度场进行数值模拟;采用选取特征点的方法,得到了各特征点上的速度分布,漩涡强度,熵,雷诺数(Re),流函数,以及焓等物理参数并绘制相应分布图;结合上述数值摸拟和各分布图,对陶瓷、铝和玻璃钢材质上液膜的流动传热特性进行对比分析。结果表明,不同的材料物性对新波纹基底上冷却液膜的流动传热特性有不同程度的影响,在上述3种材料中换热效果最好的为陶瓷。

大型非能动安全壳冷却液膜稳定性初步研究

本文根据非能动安全壳冷却系统排热机理，以安全壳内部大气压力和温度为边界条件，编写PCS—FT程序模拟钢安全壳内外的传热过程和环形空间大气的自然循环流动．并通过与WGOTHIC程序对APl000核电厂安全壳某事故工况的计算结果相比较，验证了程序的可信性。使用PCS—FT程序并采用保守的假设估算非能动安全壳外液膜温度．评价不同设计及工况参数对液膜温度的影响和液膜沸腾的可能性．讨论了液膜稳定的条件以及WGOTHIC程序液膜传热模型用于堆芯功率更高、安全壳尺寸更大的先进非能动核电厂安全壳分析的适宜性。

液氧煤油发动机高压推力室冷却技术

针对液氧煤油发动机高室压推力室冷却技术,讨论了多条内冷却环带、人为粗糙度、内壁铣槽结构和隔热镀层等主要技术措施。对带人为粗糙度的平直通道内流动进行了二维和三维时均流数值模拟,分析了人为粗糙度局部强化换热机理。对多条液气膜冷却环带进行了数值模拟,分析了内冷却流量对冷却的影响。研究结果表明,合理设置人为粗糙度和采用冷却环带技术可有效降低推力室局部气壁温,以煤油为冷却剂的高压推力室冷却方案应以再生冷却结合多条液气膜冷却技术为主,综合采取人为粗糙度、高导热材料、隔热镀层等技术措施。

射流角度和壁面曲率对撞壁液膜的影响

射流角度和壁面曲率是空间液体火箭发动机液膜冷却设计的重要参数,通过实验研究了入射角和壁面曲率半径对射流撞壁液膜形态和液膜厚度的影响;实验中液膜厚度的测量采用探针法法测量。对射流撞壁的溅射现象进行的分析表明,射流由壁面附着状态转变为液滴飞溅状态的临界We数为214.1,射流撞壁后由附壁状态转变为溅射状态的临界入射角度为23.1°,根据液体火箭发动机冷却的需要可以选择合适的射流角度。

正弦波形填料基底上液膜的研究及热经济性分析

为研究正弦波形填料基底上液膜的流动、传热特性及不同结构该基底的冷却效果对电厂热经济性的影响,通过建立合理的物理模型,运用Fluent软件对不同振幅、波长和倾斜角度条件下正弦波形填料基底上的冷却液膜进行了数值模拟.以数值模拟的出口水温为计算依据,通过热力计算分析了不同正弦波基底结构对全厂热经济性指标的影响.结果表明:倾斜角度、振幅不变时,随着波长的增加,基底上液膜的厚度变薄,出口水温升高;波长、振幅不变时,倾斜角度的增大使得基底上液膜的厚度增加,出口水温降低;倾斜角度、波长不变时,随着振幅的增大,基底上液膜的厚度变厚,出口水温降低.

倾斜射流撞壁形成的液膜外形的理论建模

倾斜射流撞击壁面在燃烧室液膜冷却、溅板式喷注器雾化等领域均有广泛应用。为了研究倾斜射流撞壁形成的液膜的基本形态、液膜边界大小,开展理论建模研究。通过建立在液膜边界的守恒方程及液膜在壁面上的厚度及速度分布关联式,形成一套能够求解倾斜射流撞击壁面后液膜形态及边界的理论方法。模型计算结果与文献中的实验结果对比表明,建立的模型能够较为准确地反映出壁面上液膜的基本外形。理论模型计算表明:液膜铺展面积随着射流速度和射流直径的增大而增大;当射流与壁面的夹角增大时,液膜流量分布的改变会导致液膜长度减小,宽度增大;模型计算结果能够反映出液膜边界随接触角增大而变小这一定性规律。