【摘要】：本文主要針對(duì)預(yù)冷組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)及其預(yù)冷器開展工作,驗(yàn)證了空氣預(yù)冷組合發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)方案及預(yù)冷器的作用,并開展了預(yù)冷器換熱管內(nèi)低溫工質(zhì)的流動(dòng)沸騰傳熱研究,能夠?qū)︻A(yù)冷器設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)。針對(duì)空氣深度預(yù)冷組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)開展性能分析計(jì)算,選擇SABRE作為研究對(duì)象,采用部件法進(jìn)行準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)建模,匹配計(jì)算得到了吸氣式模態(tài)下飛行走廊內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)變化規(guī)律,并研究了預(yù)冷器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響作用。結(jié)果表明推力計(jì)算誤差小于6%,模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣式模態(tài)的性能參數(shù);該發(fā)動(dòng)機(jī)兼具火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大推力和航空發(fā)動(dòng)機(jī)高比沖的特點(diǎn),吸氣式模態(tài)下比沖介于28000~44000s;氦氣回路需要添加減壓器,通過調(diào)節(jié)減壓器開度可使回路壓力保持平衡;通過預(yù)冷器將入口空氣溫度降低,可使發(fā)動(dòng)機(jī)高度速度區(qū)間拓寬至25kmMa5,實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行。從?守恒角度出發(fā),分析計(jì)算了吸氣式模態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)效率的變化規(guī)律,確定了循環(huán)過程的關(guān)鍵影響因素是當(dāng)量比,并提出了循環(huán)優(yōu)化方法。結(jié)果表明:飛行走廊內(nèi),發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)效率介于29.7%~41.7%,噴管出口燃?xì)馀懦龅?主要為未燃燒的氫氣所具有;發(fā)動(dòng)機(jī)各部件都存在?損失,其中主燃燒室、預(yù)燃室、預(yù)冷器和高溫?fù)Q熱器四部分的損失大于總損失的71.3%;預(yù)冷器的性能提升對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)非常重要,據(jù)此提出兩種循環(huán)優(yōu)化方案,其中氦氣回路調(diào)節(jié)是通過提高預(yù)冷器出口氦氣溫度,而氦氣再循環(huán)方案則是增加預(yù)冷器局部冷卻劑流量,兩種方案均能夠提高預(yù)冷器換熱性能,可使循環(huán)效率分別提高3%和5.6%。預(yù)冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能計(jì)算模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生影響,尤其是換熱管內(nèi)流動(dòng)傳熱模型影響工況邊界,需要采用準(zhǔn)確的微小通道流動(dòng)傳熱模型,有必要開展微小通道內(nèi)低溫工質(zhì)流動(dòng)傳熱特性研究。綜合采用試驗(yàn)、數(shù)值仿真和理論分析的方法,對(duì)小通道換熱管內(nèi)低溫工質(zhì)流動(dòng)傳熱特性開展了研究,建立了低溫工質(zhì)流動(dòng)傳熱試驗(yàn)系統(tǒng),系統(tǒng)通過抽真空和降低環(huán)境溫度結(jié)合的方式降低環(huán)境熱流影響,可滿足微小流量低溫工質(zhì)試驗(yàn)要求。微小通道內(nèi)液氮單相流動(dòng)換熱特性受熱流密度、質(zhì)量密流和管徑影響,當(dāng)壁面粗糙度較小時(shí),基本可以采用常規(guī)通道關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè);而粗糙度較大時(shí),考慮了粗糙度影響的Colebrook和Gnielinski關(guān)聯(lián)式具有較高的預(yù)測(cè)精度。液氮兩相流動(dòng)壓降特性可由均相模型預(yù)測(cè),隨著熱流密度的增大,沸騰換熱系數(shù)先增大后減小;密流和入口壓力的增加有利于提高換熱系數(shù);管徑越小,換熱系數(shù)越大。液氮的沸騰換熱隨干度可以劃分為兩種區(qū)域:飽和沸騰區(qū)和傳熱惡化區(qū),臨界干度為0.15。其中飽和沸騰區(qū)的換熱系數(shù)隨著干度的增大而逐漸降低,在低干度時(shí)以核態(tài)沸騰為主導(dǎo)換熱模式,隨著干度的增大,逐漸出現(xiàn)液膜的局部蒸干,主導(dǎo)換熱模式為膜態(tài)沸騰。Tran關(guān)聯(lián)式更適用于小通道中的液氮流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)預(yù)測(cè),對(duì)0.5mm和1.2mm通道的對(duì)流換熱系數(shù)平均預(yù)測(cè)精度分別為35%和45%。氣泡生長過程主要受熱力控制,氣泡生長前期維持球形狀態(tài),其直徑隨時(shí)間基本成線性增長,直到通道尺寸效應(yīng)發(fā)揮作用,壁面限制作用將使氣泡向上下游迅速膨脹。增大液體過熱度、降低系統(tǒng)壓力、減小入口速度、減小管徑,氣泡生長速度將會(huì)越快。氣泡生長頻率越大,相鄰的兩個(gè)氣泡越容易融合,拉長氣泡的形成是氣泡生長與融合的共同作用;降低氣泡生長頻率,氣泡融合現(xiàn)象不再出現(xiàn),各氣泡相互獨(dú)立生長。
【學(xué)位授予單位】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V430
【圖文】：

化空氣作為氧化劑[2-4]，如圖 1.1 所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是兩種模態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)共用一套噴管，從而節(jié)省了重量和空間。LACE 發(fā)動(dòng)機(jī)的最主要缺點(diǎn)是燃料消耗量過大，這是由空氣液化過程決定的，其比沖僅有 800 秒。假設(shè)液氫增壓至 200 大氣壓，在海平面靜止?fàn)顟B(tài) 1 個(gè)大氣壓下，燃料/空氣比為最小值 0.35，為恰好當(dāng)量比燃空比（約為 0.029）的 12 倍。因此雖然該發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和飛行馬赫數(shù)范圍滿足要求，比沖過低使其性能大打折扣。

化空氣作為氧化劑[2-4]，如圖 1.1 所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是兩種模態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)共用一套噴管，從而節(jié)省了重量和空間。LACE 發(fā)動(dòng)機(jī)的最主要缺點(diǎn)是燃料消耗量過大，這是由空氣液化過程決定的，其比沖僅有 800 秒。假設(shè)液氫增壓至 200 大氣壓，在海平面靜止?fàn)顟B(tài) 1 個(gè)大氣壓下，燃料/空氣比為最小值 0.35，為恰好當(dāng)量比燃空比（約為 0.029）的 12 倍。因此雖然該發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和飛行馬赫數(shù)范圍滿足要求，比沖過低使其性能大打折扣。

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本文編號(hào)：2730321