气膜冷却在超燃冲压发动机上的应用及影响因素研究

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。

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绪论

1.1 课题研究背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 超声速气膜冷却研究面临的问题

1.4 本文研究内容及章节安排

第2章 超声速主流中再生/气膜复合冷却方案研究

2.1引言

2.2再生/气膜复合冷却方案简介

2.3再生/气膜复合冷却计算模型

2.4气膜冷却数值计算方法验证

2.5再生/气膜复合冷却效果分析

2.6本章小结

第3章 无激波情况下气膜冷却影响因素研究

3.1引言

3.2主要影响因素的无量纲分析

3.3冷却流湍流度对气膜冷却的影响

3.4主流边界层厚度对气膜冷却的影响

3.5压力梯度对气膜冷却的影响

3.6冷却流入射角度对气膜冷却的影响

3.7本章小结

第4章 激波对超声速气膜冷却的影响

4.1引言

4.2斜激波对气膜冷却的影响

4.3激波与其他影响因素相互作用

4.4背压产生的激波串对气膜冷却的影响

4.5本章小结

第5章 高温油气膜冷却研究

5.1引言

5.2化学反应模型

5.3不同吹风比下高温油气膜冷却效率研究

5.4带化学热沉的油气膜冷却效果验证试验

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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