激波对超声速气膜冷却流动换热特性影响研究

为研究激波对超声速气膜冷却流动换热的影响机理,利用数值模拟方法在三种冷气射流马赫数(Ma=1.2,1.5,1.8)下改变激波入射角度(θ=2°,4°,8°),对绝热冷效与壁面换热系数的变化开展研究。结果表明,激波对绝热冷效与壁面换热系数的影响可以根据当地流动情况与主射流掺混程度划分为四个影响区域;入射激波增强使逆压增大,引起分离涡范围增加并使边界层再附影响区内的主射流掺混强度增强,导致冷却效果的恶化;高冷气射流马赫数通过推移边界层分离位置与减弱分离涡后主射流掺混强度来对冷却效果受激波影响的恶化起到补偿作用。综合来看,激波入射引起超声速气膜冷却综合冷效下降,而在低射流马赫数时提高射流马赫数可使综合冷效最大提高80.6%。

超声速涡轮叶栅超声速气膜冷却数值研究

为了研究超声速涡轮叶栅通道内的超声速气膜冷却,采用数值计算的方法,对主流压比2.33~4、冷气入射角度15°~45°条件下的涡轮叶栅超声速气膜流动和传热进行了研究.计算结果表明：超声速气膜射流与主流作用后产生的斜激波与尾缘激波交汇,形成两道反射激波,其中一道反射激波作用在气膜孔下游的叶片表面又形成了反射;在不同的主流压力下,超声速气膜射流在叶片法向和展向上展现出不同的发展特征,对转涡对（CVP）在展向上相互挤压,扼制了高温主流卷入叶片壁面;主流压比增加到4,气膜射流区在法向拉长,在展向相对较弱,导致主流在对转涡对（CVP）的作用下被卷入气膜射流的底层,壁面冷却效率降低;气膜入射角从15°增大到45°,冷却效率整体上呈先上升后下降趋势,在入射角30°时冷却效率相对最大,这与射流的穿透能力、冷却气流再覆壁面特征有关.

基于SST k-ω的超声速气膜冷却湍流模型温度修正

针对现有湍流模型无法准确预测非等温超声速气膜冷却行为的问题,在现有SST k-ω可压缩修正模型基础上,以总温梯度为变量,完成了湍流模型的温度修正,并首先通过非等温可压缩自由剪切流动实验数据初步验证了其修正效果,在此基础上对温度修正模型预测超声速气膜冷却传热的准确性进行了验证。结果表明,基于剪切层总温变化的湍流模型修正效果显著,可准确预测大温度梯度下的自由剪切流动轴向速度分布;修正模型计算得到超声速气膜冷却壁面热流分布与对应的实验结果吻合;当用于剪切层温度大梯度变化的超声速气膜冷却数值模拟时,温度修正后的SST k-ω模型与可压缩修正的k-ω模型、SST k-ω模型相比,具有显著优越性。

氢氧推力室喷管超声速气膜冷却参数研究

某型氢氧推力室喷管延伸段采用超声速气膜冷却,在面积比35处引入涡轮排气作为冷却气体。通过采用数值模拟的方法,研究了唇高、吹风比、冷却剂流量和静压比等参数对气膜冷却效果和比冲的影响。结果表明:随着唇高的增大,推力室的比冲和推力略微降低,而冷却效率和壁温几乎不变;在主射流压力匹配且射流量一定的条件下,吹风比增大可以轻微地提高气膜冷却效果和发动机比冲;在压力匹配且吹风比一定的条件下,射流量增加可以提高气膜冷却效果;在射流量一定的条件下,主射流压力匹配时,气膜冷却效果最佳,发动机比冲最高。

耦合传热下激波对超声速气膜冷却影响

针对离散孔式超声速平板气膜冷却,在主流区引入楔角形成激波环境,以研究激波与超声速气膜之间的相互作用。通过计算楔角在0°、15°、20°和25°产生的四种激波强度下,超声速气膜与高温壁面的耦合传热。所得结果表明:适当强度的激波能够抑制气膜入射后产生的反向涡旋对,降低主流对气膜的卷吸,增大壁面平均H2摩尔分数并降低壁面温度。对金属层温度场的分析表明,壁面冷却效果随着激波角的增加而先增加后降低,其中楔角为20°时的流场结构最有利于壁面温度保护。小楔角生成的激波在低冷流马赫数下对冷却效果的改善更明显,大楔角则在高冷流马赫数下更明显,热障涂层(TBC)不影响这种变化趋势;激波的存在削弱了TBC的影响范围。可以揭示超声速气膜在耦合传热条件下的传热机理,为超声速气膜冷却的设计提供参考,或为现有超声速气膜冷却结构的优化提供依据。

圆直管中离散孔超声速气膜冷却实验

以圆直管中的超声速高温燃气为主流,以常温氮气为气膜介质,用实验的方法研究了离散孔超声速气膜冷却规律,主流马赫数为2,射流马赫数分别为1,2,3.结果表明:射流流量是影响离散孔气膜冷却效果的最主要因素,提高吹风比或者增大孔径,都能显著提高气膜冷却效率;在实验工况下,冷却效率与吹风比和孔径的关系可以总结成实验关联式;射流喉部直径相同、流量相同情况下,射流马赫数对气膜冷却效果影响不大;在气膜孔附近,入射角为30°的射流比切向入射时的冷却效果差,在下流远离气膜孔位置,入射角为30°的射流冷却效果优于切向入射时.

离散孔结构超声速气膜冷却数值模拟

为了得到气膜入口结构对气膜冷却效率的影响规律,并为工程应用提供参考,针对不同形状气膜入口结构的离散孔超声速气膜冷却展开了三维数值模拟。结果表明:气膜入口结构对气膜冷却效率影响明显,轴对称孔入口收敛段结构的流量系数直接影响冷却效果,计算工况下流量系数降低0.13下游冷却效率约降低0.05,应该防止收敛段剧烈收缩;同时,离散孔扩张段面积变化速率越小越有利于冷却,变化过快会使得冷却剂得不到充分发展,垂直主流方向的速度分量大,使得气膜往两侧流动而中心区域冷却效果变差;在非轴对称离散孔出口增加平直段能使射流更集中,可以有效防止气膜在上游被穿透造成冷却恶化现象。

超声速与亚声速气膜流动和冷却特性数值研究

以平行入射缝槽气膜冷却为研究对象,开展了主、次流分别为亚声速和超声速流动状态下的气膜冷却数值模拟。计算结果表明:对于主流为超声速、次流为亚声速的气膜冷却,主流热量和动量很快就输运到亚声速次流中,气膜核心区很快被破坏,气膜冷却效率不高;在主流为超声速流动的情况下,施加相同吹风比的超声速冷却次流可将其核心向下游更远的地方输运,与常规的亚声速气膜冷却结构类似。为了获得较高的气膜冷却效率,在主流为超声速流动的情况下,建议施加超声速次流进行气膜冷却。

冷却流分段注入对超声速气膜冷却的影响

针对超声速气膜冷却中常有激波入射破坏冷却效果的现象,本文在冷却流质量流量一定的条件下研究了5种不同入口高度组合的冷却流分段注入结构,并与冷却流单个注入的情况对比,分析了激波入射情况下冷却流分段注入对超声速气膜冷却的影响。研究结果表明:在激波入射时,对于分段注入只有部分冷却流经历了激波的局部强化掺混作用,因此分段注入与单个注入相比可以提升气膜冷却效果。通过平均气膜冷却效率、最低气膜冷却效率、气膜覆盖率等冷却性能参数的比较,在本文研究的5种冷却流分段注入结构中,结构2的气膜冷却效果最好。

激波对斜孔超声速气膜冷却的影响

本文采用数值模拟的方法,研究了激波对斜孔情况下超声速气膜冷却的影响。其中主流马赫数为2.44,冷却流马赫数分别考虑1.2, 1.5和1.8三种情况,研究了温度场分布规律及平均冷却效率变化情况。结果发现:在本文计算工况范围中,三种冷却流马赫数工况下平均气膜冷却效率较接近;存在激波入射的情况下的平均气膜冷却效率整体要低于无激波入射工况,并且冷却效率呈现出先急剧下降后又逐渐增大、整体趋势为下降的锯齿状现象。

高马赫数燃烧室离散孔燃料膜热防护和减阻特性

为了探究碳氢燃料化学反应对离散孔气膜冷却特性和减阻特性的影响,选择4种离散气膜孔构型:圆柱型孔(CH)、交错叉排孔(MH)、交叉射流孔(DJH)、收缩扩张孔(CEH),开展高马赫数燃烧室内离散孔气膜数值研究,分析对比了碳氢燃料化学反应对不同离散孔气膜冷却特性和减阻特性的影响。研究结果表明,碳氢燃料化学反应使得近壁面区域冷却射流动量降低,冷却射流形成涡旋结构强度减弱。碳氢燃料化学反应通过裂解吸热反应提高了离散孔气膜冷却效率,扩展离散孔气膜冷却的展向覆盖范围。其中,交叉射流孔和收缩扩张孔射流展向速度分量大进而冷却覆盖范围较大。边界层内碳氢燃料燃烧减阻作用进一步降低壁面剪切应力,燃烧导致涡结构耗散减少以涡结构主导的掺混过程,掺混程度降低促使燃烧减阻性能减弱,交错叉排孔和收缩扩张孔分别有27.4%和18%的减阻效果。