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高焓高压空气加热器数值仿真与试验研究

作　者: 冯军红
导　师: 沈赤兵
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 高焓高压空气加热器数值仿真雾化燃烧传热
分类号: V434.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 21次
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内容摘要

高焓高压空气加热器主要应用于超燃冲压发动机自由射流试验系统中,其具有总温、总压和马赫数高,空气流量大以及壁面热流大等特点,存在燃烧组织和壁面传热控制等技术难点。本文以基于液体火箭发动机燃烧室结构的空气加热器为研究对象,采用数值仿真手段和试验技术研究空气加热器雾化、燃烧以及传热过程,分析不同结构和工作参数对加热器性能的影响。首先,采用试验技术研究了应用于空气加热器热试的三组元同轴直流式喷嘴的雾化性能。讨论了喷嘴结构和工作参数对流量特性和雾化特性的影响。结果表明:空气组元的喷注压降、喷嘴缩进以及液体工质对喷嘴的流量系数影响较大。同时喷雾锥角、粒子SMD和轴向速度受空气的喷注压降和喷嘴缩进的影响,空气组元的喷注压降的增大会引起粒子SMD减小,从而改善喷嘴雾化性能,喷嘴缩进尺寸越大,喷雾锥角越大,SMD越小,雾化效果越好,但喷嘴缩进尺寸对粒子分布影响不是很明显。其次,根据现有的物理模型,选择了一套适合于空气加热器喷雾燃烧过程和传热过程的仿真模型和数值计算方法,仿真计算了加热器内部燃烧流场,并对加热器进行了热试,采用自行设计的总温耙测量了加热器喷管出口总温分布。通过对比试验结果与数值计算结果验证了数值计算的正确性。在此基础上对比分析了不同数值计算方法对仿真计算结果的影响和不同结构和工作参数对加热器燃烧流场的影响。数值网格类型对加热器燃烧计算结果影响较大。加热器燃烧室特征长度、空气组元的喷入速度和氧化剂的物态直接影响着内流场结构和喷管出口流场品质。最后,研究了加热器的壁面传热过程,以热力计算结果和燃烧数值计算结果分别作为输入条件,对比分析了壁面温度和热流密度等传热计算结果的差异。结果表明,采用热力计算结果所带来的误差较大。讨论了不同冷却水流动方式、冷却通道结构以及冷却水流量对加热器壁面传热的影响。获得了加热器可靠冷却的最小水流量,此外,壁面材料、冷却通道结构和冷却水的流动方式对加热器传热过程影响较大。

全文目录

摘要  12-13
ABSTRACT  13-15
第一章绪论  15-25
  1.1 研究背景及意义  15-16
  1.2 空气加热器的类型  16-17
    1.2.1 空气加热器的类型  16-17
    1.2.2 燃烧型空气加热器  17
  1.3 空气加热器国内外研究现状  17-23
    1.3.1 空气加热器国内外发展现状  17-20
    1.3.2 喷雾燃烧过程数值计算的研究现状  20-22
    1.3.3 数值仿真在空气加热器中的应用  22-23
  1.4 本文主要研究工作  23-25
第二章三组元同轴直流式喷嘴流量特性和雾化特性试验研究  25-44
  2.1 试验系统与试验方案  25-31
    2.1.1 试验系统  25-29
    2.1.2 试验方案  29-31
  2.2 三组元同轴直流式喷嘴的流量特性  31-35
    2.2.1 流量系数的计算  31
    2.2.2 三组元喷嘴各个组元的流量特性  31-33
    2.2.3 工作与结构参数对流量特性的影响  33-35
  2.3 三组元同轴直流式喷嘴的雾化特性  35-42
    2.3.1 喷雾锥角  35-36
    2.3.2 雾化SMD 和流速分布  36-40
    2.3.3 粒子尺寸分布形式  40-42
  2.4 小结  42-44
第三章空气加热器内部燃烧和传热计算模型与方法  44-56
  3.1 基本控制方程  44-46
    3.1.1 控制方程组  44-45
    3.1.2 控制方程的通用形式  45-46
  3.2 基本物理模型  46-52
    3.2.1 喷雾模型  46
    3.2.2 蒸发模型  46-47
    3.2.3 湍流模型  47-48
    3.2.4 两相流模型  48-49
    3.2.5 燃烧模型  49-50
    3.2.6 传热模型  50-52
  3.3 数值模拟方法  52-55
    3.3.1 空气加热器数值仿真思路  52-53
    3.3.2 求解器的选择  53-54
    3.3.3 网格生成  54
    3.3.4 物性参数选择  54-55
    3.3.5 定解条件  55
  3.4 小结  55-56
第四章空气加热器内部燃烧流场数值仿真与试验研究  56-85
  4.1 空气加热器基准工况的燃烧流场的数值仿真  56-65
    4.1.1 空气加热器结构与工作参数  56-57
    4.1.2 计算网格与定解条件处理  57-59
    4.1.3 网格无关性的验证  59-60
    4.1.4 燃烧流场计算结果分析  60-65
  4.2 空气加热器基准工况的试验研究  65-69
    4.2.1 试验系统  65
    4.2.2 总温耙的设计  65-67
    4.2.3 空气加热器试验过程研究  67
    4.2.4 加热器喷管出口总温均匀性  67-69
  4.3 不同数值计算方法对加热器燃烧流场的影响  69-73
    4.3.1 网格类型对燃烧流场仿真结果的影响  69-71
    4.3.2 边界条件对燃烧流场仿真结果的影响  71-73
  4.4 不同结构和工作参数的燃烧流场数值计算  73-83
    4.4.1 雾化试验结果对燃烧流场的影响  73-74
    4.4.2 加热器缩尺模型与全尺模型的对比分析  74-76
    4.4.3 空气组元环缝面积对燃烧流场的影响  76-78
    4.4.4 燃烧室特征长度对燃烧流场的影响  78-80
    4.4.5 喷入组元的物态对燃烧流场的影响  80-83
  4.5 小结  83-85
第五章空气加热器传热与冷却过程分析  85-99
  5.1 加热器传热过程的数值计算  85-89
    5.1.1 冷却通道结构与工作参数  85
    5.1.2 计算方法与模型简化  85-87
    5.1.3 传热过程计算结果分析  87-89
  5.2 数值计算方法对加热器仿真结果的影响  89-93
    5.2.1 输入条件对传热仿真计算结果的影响  89-91
    5.2.2 考虑辐射过程对传热计算结果的影响  91-93
  5.3 不同冷却通道结构和工作参数的传热过程数值计算  93-98
    5.3.1 冷却通道结构对传热过程的影响  93-94
    5.3.2 冷却水不同的流动方式对传热过程的影响  94-95
    5.3.3 冷却水流量对传热过程的影响  95-98
  5.4 小结  98-99
第六章结论与展望  99-102
  6.1 本文工作总结  99-100
  6.2 对进一步工作的展望  100-102
致谢  102-103
参考文献  103-107
作者在学期间取得的学术成果  107

高焓高压空气加热器数值仿真与试验研究

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