碳氢燃料发动机主动冷却系统优化设计研究

摘要

高超声速飞行器通常以大于5倍Ma数的速度飞行,它对未来高技术形势下的国家安全和经济利益将起到十分重要的作用。碳氢燃料发动机被认为是高超声速飞行器最佳的动力装置,但由于飞行时巨大的气动加热和燃烧室内的剧烈燃烧,使得燃烧室壁面面临着极其严酷的热环境,很容易造成燃烧室壁面温度过高,继而引起材料的失效。因此,必须对燃烧室进行有效的热防护。
　　本文采用了目前比较理想的主动冷却热防护方式。首先构筑了基于金属三明治板的燃烧室冷却通道模型,并分别利用理论研究和数值模拟的方法对不同材料的冷却通道进行了分析,得到了冷却通道的温度和应力分布。在此基础上,通过编写的优化程序,分别计算了在有、无隔热涂层覆盖情况下三种不同冷却系统材料的冷却系统的最优化质量随冷却通道内燃料流速的变化规律,并得出此时冷却通道的尺寸。
　　通过研究发现,隔热涂层并不能显著地降低冷却通道材料的温度,但是可以有效地降低材料的应力,较好地改善材料的应力分布情况。对于像HastelloyX这类许用应力较低的材料,涂层的保护作用明显,可以有效的改善材料承受热负荷的能力。
　　通过优化结果的对比发现,限制高温合金材料在高超声速领域应用的最大的制约因素是其许用应力。对于InconelX-750这类具有较高许用应力的材料比Inconel625、HastelloyX这类许用应力较低的材料更适合于作为燃烧室的壁面材料。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 碳氢燃料发动机

1.1.3 发动机主动冷却

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 主动冷却系统理论分析和数值模拟方法

2.1 引言

2.2 材料的属性

2.3 理论模型

2.3.1 物理模型

2.3.2 数学模型

2.4 有限元模型

2.4.1 数学模型

2.4.2 模型建立

2.4.3 边界条件

2.5 本章小结

第3章 主动冷却系统的理论分析

3.1 引言

3.2 无涂层时冷却系统理论分析

3.3 有涂层时冷却系统理论分析

3.4 肋板温度比较

3.5 本章小结

第4章 主动冷却系统的数值模拟

4.1 引言

4.2 无涂层时冷却系统数值模拟

4.2.1 冷却通道温度分布

4.2.2 冷却通道米泽斯应力分布

4.3 有涂层时冷却通道数值模拟

4.3.1 冷却通道温度分布

4.3.2 冷却通道米泽斯应力分布

4.4 理论分析与数值模拟结果的比较

4.5 本章小结

第5章 主动冷却系统的优化设计

5.1 引言

5.2 目标函数和约束条件

5.3 无隔热涂层时冷却系统优化

5.3.1 优化程序的验证

5.3.2 不同固壁材料的优化

5.4 有隔热涂层时冷却系统优化

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致 谢