直筒壁燃烧室混和气膜冷却结构优化及壁温计算

摘要

现在的冲压发动机燃烧室温度己达到2500K左右，现有的材料还不能承受如此高的温度，必须采取有效的冷却系统。本文旨在通过建立一套能考虑影响冷却系统各因素的计算程序来计算隔热板温度、外壁温度、各处气体压力等各种需要的参数，通过改变影响冷却的各因素优化冷却系统冷却效果，来辅助燃烧室冷却系统设计。 针对三气(燃气、冷气、大气)、两壁(隔热屏、燃烧室外壁)、一膜(隔热屏冷气膜)的燃烧室物理模型，建立了它们之间气动与传热互相耦合的隔热屏二维壁温计算模型。模型中考虑了燃气、空气的动力粘性系数和导热系数随温度的变化，燃气温度轴向的非线形变化。对于实验数据不足的某些参数如缝隙流量系数和气膜孔出流角，采用数值模拟的方法进行了研究，并总结了适于程序使用的近似公式。由于本系统中气体与固体的对流、辐射换热以及固体与固体之间的辐射换热的计算是互为条件、相互耦合的，于是本文采用了气体与固体相互交替计算，循环迭代直至收敛的算法。 应用编制的程序计算了多种因素对冷却系统冷却效果的影响，得出如下结论：通过增加分段、增加缝隙高度、增大气膜孔来增加冷气量对平均冷却效果的影响差不多；合理分段、合理设计缝隙高度以及合理布置气膜孔大小可以使温度分布更加均匀，减小最高温度；同比例缩小孔径和孔间距可以不增加冷气量的同时增强冷却效果；隔热板冷气侧加粗糙肋增大了阻力，减小了冷气流量，并不能明显增强冷却效果；隔热板锥度的变化可以调整入口冷气流量的大小。 根据常用的衡量冷却效果的指标和本系统的具体要求提出了冷却系统优化度的概念，并以此参数为衡量指标对某冷却方案进行了优化。对于多参数的冷却方案优化过程，采用了先对影响冷却系统结构的主要因素进行优化然后进行对次要因素进行调整，逐步改进冷却系统结构提高冷却系统优化度的方法。对优化方案的计算结果分析显示，该方法是可行的。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2本文的主要工作

第二章物理模型及数学模型

2.1冲压发动机物理结构

2.2外壁物理与数学模型

2.3一维通道流动计算

2.3.1动量方程

2.3.2能量方程

2.3.3两段接口处的气动处理

2.4隔热板二维温度场计算

2.4.1控制方程

2.4.2控制方程的离散

2.5燃烧室燃气一维流动计算

2.5.1连续方程

2.5.2动量方程

2.6换热计算准则关系式

2.6.1对流换热计算

2.6.2辐射换热

第三章缝隙与气膜孔气动特性数值模拟结果

3.1引言

3.2缝隙流量系数数值模拟

3.2.1缝隙的高长比对流量系数的影响

3.2.2缝隙上盖板厚度对流量系数影响

3.3顺排孔间距孔径比对流量系数的影响

3.3气膜孔长径比对出流角和流量系数的影响

3.3.1气膜孔长径比对流量系数的影响

3.3.2气膜孔长径比对出流角的影响

第四章影响隔热板冷却效果的因素分析

4.1隔热板增加分段对冷却效果影响

4.2气膜孔径变化对冷却效果的影响

4.3缝隙高度变化的影响

4.4冷气量对冷却效果的影响

4.5开孔率不变同比例减小孔径孔间距对冷却效果的影响

4.6隔热板冷气侧加肋对冷却效果的影响

4.7隔热板锥体锥度的影响

第五章冷却系统设计目标与案例设计

5.1冷却系统的几个指标

5.1.1绝对冷却效果

5.1.2相对冷却效果

5.1.3相对温差

5.1.4冷气利用率

5.1.5冷气系统优化度

5.2案例设计

5.2.1设计条件及要求

5.2.2优化过程

5.2.3优化结果

第六章结论与展望

6.1研究结论

6.1.1影响隔热屏冷却效果的因素分析结论

6.1.2冷却方案优化结论

6.2进一步工作的建议

参考文献

已发表论文

致谢