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超燃冲压发动机再生冷却技术研究

作　者: 刘志琦
导　师: 梁剑寒
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 力学
关键词: 超燃冲压发动机 再生冷却 吸热型碳氢燃料 超临界 热裂解
分类号: V235.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


超燃冲压发动机燃烧室中的温度能轻易超过现有材料的承受温度,热管理系统对长时间工作的超燃冲压发动机至关重要,采用吸热型碳氢燃料对超燃冲压发动机进行再生冷却是最有效和实际的方法之一。本文对主动冷却结构设计、吸热型碳氢燃料在冷却流道内流动与传热过程和主动冷却的超燃冲压发动机应用情况进行了综述。基于特征数方程建立了吸热型碳氢燃料在超燃冲压发动机再生冷却通道中的一维计算模型。通过中国3号航空煤油在管道中的传热试验的测量结果验证了一维程序计算模型的合理性,研究了不同特征数方程和平均温差计算方法对计算结果的影响。基于超燃冲压发动机再生冷却试验,修正了模型的阻力系数、化学热沉和自然对流特征数方程,使用修正后的计算模型分析了超燃冲压发动机再生冷却的传热特点。研究发现:冷却通道长度的80%中煤油处于超临界状态,60%处于裂解区,通过裂解吸收了约30%的热量。另外,由于外壁同空气的传热量是内壁同燃气传热量的12.6%,因此不能忽略外壁热损失。冷却剂在进入超临界态后发生传热强化,肋片强化传热的作用减小。热裂解增加了煤油的热沉,提高了冷却能力。使用经过修正后的程序对不同几何参数的冷却通道和不同的入口条件进行了计算。研究发现:薄的燃烧室壁和肋片对换热有利,高长宽比冷却通道通过肋片效应改善了热传导,但仍未完全清楚通道中详细的传热机理。在冷却剂总流量一定的情况下,更多的通道数和较高的入口压力和温度可以使热流密度的沿程分布更加平缓。

全文目录


表目录  7-8
图目录  8-12
摘要  12-13
ABSTRACT  13-14
第一章 绪论  14-19
  1.1 研究工作的工程背景与意义  14
  1.2 超燃冲压发动机主动冷却结构设计  14-16
    1.2.1 冷却流道设计  14-15
    1.2.2 耐高温材料与加工工艺  15-16
  1.3 超燃冲压发动机冷却流道内流动与传热过程  16-17
    1.3.1 碳氢燃料在超临界状态下的热物性  16-17
    1.3.2 吸热型碳氢燃料的发展  17
  1.4 主动冷却发动机应用情况  17-18
  1.5 论文主要研究内容  18-19
第二章 超燃冲压发动机再生冷却一维模型研究  19-28
  2.1 传热模型  19-23
    2.1.1 燃气同壁面的传热  20
    2.1.2 燃烧室内壁面的导热  20
    2.1.3 燃烧室内壁同冷却剂的对流传热  20-21
    2.1.4 冷却剂同燃烧室外壁面的对流传热  21
    2.1.5 燃烧室外壁面的导热  21-22
    2.1.6 燃烧室外壁面同空气的传热  22
    2.1.7 冷却剂的吸热与平均温差的计算  22-23
    2.1.8 计算单元的热平衡  23
    2.1.9 压力损失  23
  2.2 物性模型  23-26
    2.2.1 燃气的物性模型  23-24
    2.2.2 燃烧室壁材料的物性模型  24
    2.2.3 冷却剂的物性模型和裂解模型  24-26
    2.2.4 空气的物性模型  26
  2.3 计算方法  26-27
  2.4 小结  27-28
第三章 超临界煤油在圆管中传热的计算验证  28-33
  3.1 计算对象  28-30
  3.2 不同对流换热特征数方程对结果的影响  30
  3.3 不同平均温差计算方法对结果的影响  30-32
  3.4 小结  32-33
第四章 超燃冲压发动机再生冷却试验结果分析  33-46
  4.1 试验简介  33-35
    4.1.1 试验设备  33-34
    4.1.2 试验方法  34
    4.1.3 试验测量结果  34-35
  4.2 传热模型修正  35-40
    4.2.1 阻力系数的修正  36
    4.2.2 特征数方程和化学热沉的修正  36-38
    4.2.3 外壁热损失的修正  38-39
    4.2.4 传热模型修正后计算结果的验证  39-40
  4.3 再生冷却试验传热分析  40-44
    4.3.1 超燃冲压发动机再生冷却传热特点  40-41
    4.3.2 超临界态煤油在冷却通道中的传热特点  41-44
  4.4 小结  44-46
第五章 超临界状态下的冷却流道设计  46-56
  5.1 不同截面参数冷却通道的换热性能对比  46-52
    5.1.1 燃烧室内壁相对厚度  46-47
    5.1.2 燃烧室外壁厚  47-48
    5.1.3 冷却通道肋片厚  48-49
    5.1.4 冷却通道高宽比  49-52
  5.2 影响换热性能的其它因素  52-55
    5.2.1 冷却通道的数量与煤油流量  52
    5.2.2 煤油的入口温度  52-53
    5.2.3 煤油的入口压力  53-55
  5.3 小结  55-56
结论与展望  56-58
致谢  58-59
参考文献  59-63
作者在学期间取得的学术成果  63-64
附录A 分段三次多项式表示的煤油物性  64-68

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空发动机（推进系统） > 空气喷气式发动机 > 无压气机发动机 > 冲压喷气发动机
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