噴管套筒研究
基本介紹
液體火箭發動機的噴管流場直接關係著發動機的性能參數和設計參數，所以對噴管流場研究的學者和論文很多。隨著計算機的發展，計算流體力學的商用軟體也就應運而生，例如英國皇家學會的Spalding教授主編的PHOENICS、美國Sparow教授主編的CFDZ000、CFX等軟體，這些軟體在計算流體力學界有一定的影響。
液體火箭發動機在地面整機試車時，出口壓力的變化會影響噴管內的流場和溫度場，這可能使噴管內產生激波，激波的存在使噴管內的流場會產生突躍，從而會燒蝕噴管和噴管外的熱防護材料，這樣就可能使發動機的性能參數不可能滿足設計要求，所以該研究對推力室的噴管及噴管外的套筒進行氣動傳熱計算研究。計算速度的迅猛發展給計算流體力學的發展創造了客觀條件。上世紀七十年代以後，計算流體力學發展基本完備，相應的計算流體力學軟體也就應運而生了，該研究計算所用的CFX軟體也就是這個時代以後的產物。
該報告所研究的高空發動機推力室的噴管及套筒，設計時噴管出口壓力遠遠小於一個標準大氣壓，所以高空噴管在地面試車時會在噴管內產生激波。該報告對該型號發動機98N推力室的噴管在高空、地面以及有無套筒狀態下進行了流場計算，得出了在高空、地面有無套筒狀態下噴管內的壓力場、溫度場、密度場、速度場。初步確定了在地面試車時有無套筒兩種狀態下噴管內的激波位置。依據流場計算結果，對高空發動機98N推力室外的套筒進行了高空和地面兩種狀態下的傳熱計算。
數據對比
該發動機98N推力室在地面試車時的試驗程式為
氣動傳熱
圖1式中on（s）代表點火時間，off（s）代表間歇時間。運用上面發展的算法依據試車程式對98N推力室外的套筒進行傳熱計算，計算結果如圖1。圖1為地面試車時和高空工作時的套筒計算壁溫變化，該計肯結果是否符合實際還需實際檢驗，因此本文又作了地面試車時依據試車程式計算的套筒壁溫變化比較，比較結果見圖2。
由圖2可知地面試車時的實測壁溫和計算壁溫的變化趨勢相同，最高點壁溫也基本一致，這說明計算所選模型與實際試車時的套筒模型相近，計算結果真實可信、對分析試車時套筒的燒蝕原因有較高的參考價值。
圖2由圖2還可以看出,在第一次點火時、套筒的計算壁溫和實測壁溫有差距，這是因為在第一次點火時燃氣除了給套筒加熱外，還給其他部位加熱，在第二次點火後其他部位已接近熱平衡，此後燃氣放熱絕大部分給套筒加熱，所以，此時計算的套筒壁溫與實測壁溫 接近，第三次點火情況與第二次相同。在第三次關機後套筒的計算壁溫在開始時與實測壁溫有差異，這是因為套筒的黑度在變化，60秒後計算壁溫與實測壁溫基水一致，這說明此時的真實黑度與計算時所取黑度基本相同。
綜合以上分析，依據試車程式計算的在高空飛行時的套筒壁溫，此壁溫不會燒蝕套筒，套筒在高空飛行時是安全的。在地面試車時存在套筒被燒蝕的可能性，如果在地面試車時改用不鏽鋼套筒，則套筒被燒蝕的可能性極小。該單組元發動機在地面試車時連續兩次燒蝕98N推力室外的套筒，這足以證明該計算方法的可靠性，它可以為試車的成敗作預測。
計算研究
多孔隔熱壁溫度場氣動傳熱耦合計算研究
基本介紹
圖3燃燒室隔熱壁溫度的計算預測是燃燒室冷卻系統設計的一項重要內容，在這方面已進行了不少的數值計算研究工作。但由於問題的複雜性，多數研究均以燃燒室隔熱壁的溫度計算為重點，即以導熱計算為主，輔以對流及輻射換熱為其提供邊界條件。該研究的主要的目的是發展一種計算方法，能較為細緻地考慮有縫隙出流及氣膜孔出流條件下冷氣及燃氣流動及導熱、對流換熱、輻射換熱之間的相互耦合影響。該計算方法也可推廣套用於考慮內流通道冷氣流動及渦輪葉柵中燃氣流動條件下，帶氣膜冷卻的渦輪葉片壁溫的計算。
問題闡述
圖3為某發動機燃燒室示意簡圖。為了防止高溫燃氣對燃燒室外壁的熱腐蝕，在靠緊外壁處裝有帶孔的隔熱壁，形成一個冷氣通道，冷氣在該通道中流動時，其中一部分從環狀縫隙及氣膜孔流出，對隔熱壁形成了保護作用。很明顯，在這個系統中，既有冷氣與燃氣的流動，又有熱量以傳導、對流及輻射形式的傳遞。從傳熱角度講，主要有以下環節：
•高溫燃氣以熱輻射及對流換熱的形式向帶氣膜孔的隔熱壁傳熱；
•隔熱壁則以對流換熱的形式向冷氣通道內的冷氣傳熱；
•同時還以熱輻射的形式向燃燒室外壁傳熱；
•冷氣通道內的冷氣與燃燒室外壁之間以對流換熱的形式傳熱；
•燃燒室外壁與大氣及環境之間也有對流換熱及輻射換熱。在燃燒室外壁及隔熱壁內熱量是以純導熱的形式傳遞的。
從氣動角度講，冷氣沿冷氣通道流動時，其狀態要受到許多因素的影響，如冷氣從隔熱壁上氣膜孔的流出，隔熱壁對冷氣的加熱及冷氣向外壁的散熱等。
上述各個氣動及傳熱環節是互相關聯、互相影響的，例如，從隔熱壁上氣膜孔的冷氣流出量取決於孔兩端冷氣與燃氣之間的壓差，而冷氣的壓力又與從氣膜孔流出的冷氣量有關。因此，為了能較準確地預測燃燒室內帶氣膜冷卻的隔熱壁壁溫的分布情況，必須對各個氣動及傳熱環節進行聯立耦合求解。由於問題的複雜性，該研究在計算時做了適當的簡化： (1)冷氣通道內的流動為一維流動，由於冷氣通道較窄，約為2～ 4 mm，因此該簡化不會引起較大誤差；(2)由於實際隔熱壁的厚度只有1 mm，因此完全可以忽略溫度沿隔熱壁厚度方向的變化，但因隔熱壁上開有氣膜孔，孔內壁與冷氣有很強的對流換熱，所以隔熱壁內的導熱沿周向是不對稱的，應按二維進行處理。
研究結果
該研究綜合套用工程熱力學、空氣動力學、傳熱學(包括導熱、對流換熱及輻射換熱)的基礎理論及前人的研究結果，結合數值傳熱學的有關理論和計算方法，考慮到各個氣動環節及傳熱環節的相互耦合影響的關係，研究開發了燃燒室隔熱壁壁溫的計算軟體，其特點是在給出燃燒室進出口必要的氣動參數，即可直接計算出帶環狀縫隙及多個氣膜冷卻孔的燃燒室隔熱壁壁溫分布情況。用該程式可以對燃燒室的各種冷卻方案(分段情況，孔排布局等)進行比較最佳化計算，結合工作狀態，用氣量及冷卻效果選擇最佳可行的冷卻方案。
