层板发汗冷却推力室传热分析

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1、第37卷第1期2011年2月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPULSIONV01．37．№．1Feb．2011层板发汗冷却推力室传热分析黄春桃，孙冰(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要：对于采用层板发汗冷却的推力室，为了最大限度地减少冷却剂流量，理想情况是，应根据不同轴向位置的受热情况来分配冷却剂流量，以使各处的壁面温度都控制在材料的许用温度内。本文运用有限体积法，对层板发汗冷却推力室内的燃气流动和壁面内的传热进行了数值模拟，同时通过调节冷却剂吹风比，使各处的壁面温度都控制在材料的许用温

2、度之内。为综合考虑发汗冷却效果，将发汗冷却的两个方面，即推力室壁面内的传热和发汗流对传热的阻隔进行了耦合求解。数值研究结果表明：推力室内壁温度越低，所需的冷却剂的吹风比越大。关键词：层板推力室；发汗冷却；耦合传热；数值模拟中图分类号：V434—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(2011)01-0017-06Heattransferanalysisof’platelettranspirationcoolingthrustchamberHUANGChun·tao，SUNBing(SchoolofAstr

3、onautics，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China)Ah血嘲：Foraplatelettranspirationcooledthrustchamber，inordertoachievethemaximumre-ductionofthecoolantflowmte，theidealmeansistOdistributethecoolantaccordingtodifferentaxi·alheatingposition

4、stoke印overallwalltemperatureundermaterialpermissiblelimit．111enumericalsimulationfortheinternalgasflowandwallheattransferinaplatelettranspirationcooledthrustchamberwereperformedbyusingfinitevolumemethod．Thetwoaspectsoftranspirationcooling，theheattransferinthe

5、wallandtheobstructingeffectofblowingratioonthesurfacetemperature，weresolvedinacoupledsolutiontoconsiderthetranspirationcoolingeffectsynthetically．Thenumericalresultsshowthatblowingratioincreaseswiththedecreaseofthewalltemperature．Keywords：plateletthrustchambe

6、r；transpirationcooling；coupledheattransfer；numericalsimu-lation收稿日期：2010-10-16；修回日期：2010一ll一20作者简介：黄春桃(1985一)。女。硕士研究生。研究领域为火箭发动机热防护18火箭推进2011年2月0引言热防护系统的热控能力直接影响动力系统的可靠性和性能的提高。随着未来液体火箭发动机的进一步发展，研究新型热防护方案必然成为人们关注的要点。发汗冷却由于其高效的冷却性能、较小的冷却剂流量(若设计合理可控制在2％以内【1】)、较小

7、的压降，在航空航天技术发展中一直受到广泛关注。完整的发汗冷却过程应该包括两个部分：第一个部分是发生在壁面内的热交换，冷却剂吸收导人推力室壁面的热量；另一部分是冷却介质在流出推力室壁面后，形成有一定隔热作用的边界层，以阻隔高温燃气对推力室内壁面的传热121。目前发汗冷却温度场分析时，通常都将这两个过程分开考虑。但这两个过程是相互影响的，一方面冷却剂的流动特性影响室壁的温度分布，流出壁面的冷却剂的温度影响附面层中的膜冷却效果；另一方面发汗膜冷却效果控制着燃气向内壁传热的热流密度，影响壁温和冷却剂流出壁面的温度flJ。

8、本文以某发动机推力室为背景，利用有限体积法，对层板发汗冷却推力室的壁温特性进行了数值模拟。在分析过程中综合考虑了发汗冷却的上述两个方面，其中壁面内的传热分析采用温差模型，燃气向发汗冷却室壁传热的热流密度由经验关系式确定。层板发汗冷却的一个优点就是能精确控制冷却剂流量，通过合理的流道设计可以调节流入推力室各轴向位置的冷却剂流量131。因此可以根据推力室不同轴向位置的受热情况