超燃冲压发动机燃烧室再生冷却研究

【摘要】：再生冷却技术是超燃冲压发动机燃烧室热防护的关键技术。目前国内对此技术应用于超燃冲压发动机的理论和试验两方面都未见报道。围绕超燃冲压发动机燃烧室再生冷却开展较深入的理论分析、计算和试验研究,具有重要的理论意义和工程价值。 本文第一章介绍了超燃冲压发动机燃烧室热环境和对发动机燃烧室采取再生冷却的必要性,研究了超燃冲压发动机再生冷却技术的发展和现状,并介绍了本文的研究内容。 为了初步了解超燃冲压发动机再生冷却传热的基本特征,第二章建立了超燃冲压发动机再生冷却的一维传热数理模型,采用了准则关系式描述燃气侧和冷却剂侧的对流换热,采用了简化的燃气物性模型,并对衬层材料、衬层厚度和冷却剂流量进行了参数研究。 第三章研究了用参考焓法描述了从燃气到壁的对流换热,冷却剂侧则在原来准则关系式的基础上加了进口效应、冷却通道粗糙度影响、物性影响等的修正。利用国内航空煤油组分测量结果,给出了一套工程上可用的超临界压力下国内航空煤油物性的解析表达式。在这些基础上,对固壁二维导热控制微分方程采用热平衡法离散,建立了一套用于超燃冲压发动机燃烧室再生冷却的准三维热分析计算工具,并进行了算例验证。 第四章就第三章建立的超燃冲压发动机热分析计算工具进行了具体的应用。根据超燃冲压发动机热结构试验的状态和条件,计算了超燃冲压发动机在冷流和热流试验条件下,用水和煤油作冷却剂的再生冷却结构的热交换特性,并和相应的试验数据进行了比较。其中利用了超燃冲压发动机三维内流场计算平台——AHL3D的计算流场作为输入条件。 第五章利用热分析计算工具,针对再生冷却结构中材料的选择(衬层材料、两层结构材料和涂层)和几何尺寸(衬层厚度、肋片厚度、冷却通道宽度和高度)进行了研究。 通过本文围绕未来先进推进系统——超燃冲压发动机燃烧室再生冷却结构的研究,发展了热分析计算方法,初步建立了冷却通道的设计方法和工具。