論文以航空發(fā)動機排氣系統(tǒng)高效低阻冷卻技術發(fā)展為背景,對噴管與塞錐壁面冷卻結構進行設計與優(yōu)化,并針對超音速主流條件下主次流干涉對換熱影響機理進行了初步分析。論文首先以典型的收斂擴張噴管為研究對象,設計了氣膜冷卻結構并利用CFD商業(yè)軟件針對噴管擴張段在亞音、臨界以及超音速條件下的氣動與換熱特性開展了數值模擬研究,初步分析了超聲速與亞聲速主流條件下氣膜冷卻特性的差異。研究發(fā)現,通過優(yōu)化氣膜孔參數可以降低氣膜出流與超聲速主流之間的干涉,提高冷卻效率。擴張段內主流的降溫和膨脹使其后段壁面冷卻效率偏高,通過優(yōu)化氣膜孔排布方式可以緩解這種不均勻性。論文同時開展了塞錐壁面冷卻技術的研究。將多種先進冷卻結構（如多斜孔等）應用于噴管與塞錐冷卻,并為了適應塞錐壁面亞音速與超音速區(qū)交替的復雜氣動特征,建立了分區(qū)冷卻的思路,優(yōu)化設計了塞錐頭部和尾部沖擊氣膜冷卻結構,強化對二次流的約束引導,最大限度地發(fā)揮了二次流的冷卻潛力。之后,論文進一步將塞錐尾部細化分區(qū),引入并優(yōu)化了多斜孔氣膜冷卻結構,有效降低了支板以及塞錐表面溫度,將錐體溫度控制在長期使用溫度下;并針對支板尾緣處塞錐外壁面結構進行優(yōu)化,降低了支板尾跡流對塞... 

【文章來源】：南京航空航天大學江蘇省 211工程院校

【文章頁數】：81 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

具有矢量偏轉板的塞式噴管雖然塞式噴管具有以上優(yōu)點，但其應用存在較大的冷卻問題，塞錐錐體直接與高溫燃氣接

雖然塞式噴管具有以上優(yōu)點，但其應用存在較大的冷卻問題，塞錐錐體直接與高溫燃氣接觸，錐體使用普通材料難以承受高溫燃氣的燒蝕，而使用高溫合金會增加結構重量，降低發(fā)動機整機推重比。另外，燃氣的溫度和塞錐體溫度的增加，會增強發(fā)動機后向紅外特征，提高了飛行器被紅外制導武器鎖定及攻擊的風險，研究表明[16，17]，對噴管等熱端部件采取冷卻措施能有效降低飛行器后向紅外特征。因此，對塞錐錐體采取必要的冷卻手段顯得十分必要。沖擊冷卻和氣膜冷卻是常用的發(fā)動機熱端部件冷卻手段，但應用在塞式噴管塞錐壁面冷卻時卻存在很多問題。以氣膜冷卻為例：當塞式噴管擴張段流動處于超音速狀態(tài)時，可能存在著激波、附面層的相互作用，對擴張段采用氣膜冷卻技術后，氣膜射流的引入，將在擴張段流動中誘導出復雜的波系，激波膨脹波與氣膜流動的相互干擾，對氣膜下游流動特性與氣膜冷卻造成顯著影響。而塞式噴管在不同高度不同工作狀態(tài)下，隨著噴管出口膨脹波移動，噴管擴張段和尾跡區(qū)流動呈現完全不同的狀態(tài)，使得該區(qū)域氣膜冷卻的流動條件更加復雜。對壁面進行氣膜冷卻結構設計，必須考慮激波與氣膜射流之間的干涉影響。同時，對比燃燒室等壓環(huán)境，隨著工作狀態(tài)改變，塞式噴管沿程壓力分布會發(fā)生復雜變化，存在膨脹波激波與氣膜冷卻互相干擾等問題（如圖 1.2 和圖 1.3 所示），壓力的改變將會對二次流流量分配產生極大影響，給冷卻結構設計帶來新挑戰(zhàn)。

雖然塞式噴管具有以上優(yōu)點，但其應用存在較大的冷卻問題，塞錐錐體直接與高溫燃氣接觸，錐體使用普通材料難以承受高溫燃氣的燒蝕，而使用高溫合金會增加結構重量，降低發(fā)動機整機推重比。另外，燃氣的溫度和塞錐體溫度的增加，會增強發(fā)動機后向紅外特征，提高了飛行器被紅外制導武器鎖定及攻擊的風險，研究表明[16，17]，對噴管等熱端部件采取冷卻措施能有效降低飛行器后向紅外特征。因此，對塞錐錐體采取必要的冷卻手段顯得十分必要。沖擊冷卻和氣膜冷卻是常用的發(fā)動機熱端部件冷卻手段，但應用在塞式噴管塞錐壁面冷卻時卻存在很多問題。以氣膜冷卻為例：當塞式噴管擴張段流動處于超音速狀態(tài)時，可能存在著激波、附面層的相互作用，對擴張段采用氣膜冷卻技術后，氣膜射流的引入，將在擴張段流動中誘導出復雜的波系，激波膨脹波與氣膜流動的相互干擾，對氣膜下游流動特性與氣膜冷卻造成顯著影響。而塞式噴管在不同高度不同工作狀態(tài)下，隨著噴管出口膨脹波移動，噴管擴張段和尾跡區(qū)流動呈現完全不同的狀態(tài)，使得該區(qū)域氣膜冷卻的流動條件更加復雜。對壁面進行氣膜冷卻結構設計，必須考慮激波與氣膜射流之間的干涉影響。同時，對比燃燒室等壓環(huán)境，隨著工作狀態(tài)改變，塞式噴管沿程壓力分布會發(fā)生復雜變化，存在膨脹波激波與氣膜冷卻互相干擾等問題（如圖 1.2 和圖 1.3 所示），壓力的改變將會對二次流流量分配產生極大影響，給冷卻結構設計帶來新挑戰(zhàn)。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]塞錐氣膜冷卻對二元塞式噴管紅外特征的影響[J]. 周兵,吉洪湖.  航空動力學報. 2016(12)
[2]塞錐后體氣膜冷卻對軸對稱塞式噴管紅外輻射和氣動性能的影響[J]. 張靖周,王旭,單勇.  航空學報. 2015(08)
[3]超聲速與亞聲速氣膜流動和冷卻特性數值研究[J]. 廖華琳,單勇,張靖周,吉洪湖,譚曉茗.  航空計算技術. 2015(01)
[4]不同冷卻方式對中心錐冷卻效果的影響[J]. 李卒,江勇,林杰.  空軍工程大學學報(自然科學版). 2013(05)
[5]中心錐冷卻對噴管腔體紅外輻射的抑制作用數值分析[J]. 張勃,吉洪湖,張宗斌,羅明東,林蘭之.  航空動力學報. 2012(03)
[6]渦扇發(fā)動機排氣系統(tǒng)中心錐氣膜冷卻結構的氣動和紅外輻射特性實驗[J]. 單勇,張靖周,邵萬仁,尚守堂,鄧洪偉.  航空動力學報. 2012(01)
[7]渦扇發(fā)動機軸對稱塞式噴管紅外輻射特征計算[J]. 陳俊,吉洪湖,黃偉,斯仁.  工程熱物理學報. 2010(12)
[8]不同主流進口湍流度下的超音速氣膜冷卻[J]. 彭威,姜培學.  工程熱物理學報. 2010(01)
[9]變截面主流加速對超音速氣膜冷卻的影響[J]. 彭威,姜培學.  工程熱物理學報. 2008(02)
[10]塞式噴管熱試實驗和數值模擬[J]. 王長輝,劉宇,廖云飛.  北京航空航天大學學報. 2007(09)

碩士論文
[1]收擴噴管擴張段氣膜冷卻特性研究[D]. 陳四杰.南京航空航天大學 2014



本文編號：3334056