板片蓄热式加热器设计方法研究

论文摘要

常规高超声速风洞是指马赫数Ma=5~10,用纯净空气经过加热器加热,工作时间长的高超声速风洞,这类风洞发展比较早,技术比较成熟。其主要特点是所使用的工作介质为纯净空气,空气必须加热、气体工作压力和密度均比较高、试验时间相对长、气流稳定性好、测量方法比较可靠、试验数据广泛应用于型号设计中。所以,目前此类风洞在国内外高超声速试验研究中占有相当重要的地位。因此,它广泛应用于高超声速飞行器气动特性的试验研究。随着高超声速飞行器的发展,飞行速度不断提高,对常规加热高超声速风洞的模拟能力提出了更高的要求。它的发展趋势是设计更大功率的加热器、加大风洞尺寸、提高风洞的试验马赫数和雷诺数,从而提高风洞的试验模拟能力。加热器是高超声速风洞的重要部件,在很大程度上关系着高超声速风洞的实验能力和效率。许多学者早就对加热器进行了广发的理论研究。本文借鉴国内外的先进技术和经验,对高超声速风洞加热器的应用进行研究分析,整个研究工作围绕加热器的设计而展开。本文根据使用单位试验技术的发展需要以及目前能达到的技术水平,设计了一套用于某大型常规高超声速风洞的金属板片蓄热式加热器。本文根据风洞对加热器提出的总的性能要求以及工程的实际情况,选择了加热器的类型,详细介绍了常规高超声速风洞板片蓄热式加热器设计中相关气动参数的选取和计算。加热器的气动轮廓尺寸(通道内径及蓄热元件长度)计算的方法和基本思路以及相关的物性参数的确定、热交换系数的计算方法,有助于加热器的总体结构设计。采用Ansys元件对加热器壳体强度进行应力计算,根据热传导理论验算隔热层厚度能否满足使用要求。根据热交换系数和热交换偏微分方程分析了加热器的加热与放热特性,利用积分公式曲线给出了相关设计点的计算图表。采用Fluent软件对加热器蓄热元件在加热过程的温度分布进行了数值模拟,验证了工程设计方法的正确性。文中还给出了蓄热式加热器相关部件的三维结构图以及有使用参考价值的计算图表和计算结果。以便于工程设计和试验调试时参考。本文采用工程设计方法,摸索出一套完整的高超声速风洞蓄热是加热器的设计方法,丰富了国内高超声速风洞金属板片蓄热式加热器研制的经验,为高超声速飞行器大型地面研究设备研制提高技术支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国、内外常规高超声速风洞加热器的现状
• 1.3 总体性能指标
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 加热器气动参数设计
• 2.1 加热器类型选择
• 2.1.1 加热器主要性能指标要求
• 2.1.2 常规高超声速风洞加热器类型的确定
• 2.2 加热器的工作原理
• 2.3 常规高超声速风洞加热器设计参数的确定
• 2.3.1 估算高超风洞的最小起动压力比
• 2.3.2 加热器的出口总温的确定
• 2.3.3 常规高超声速风洞流量的计算方法
• 2.3.4 加热器的有效功率的计算
• 2.4 加热器通道内径的确定
• 2.5 蓄热式加热器热力计算中用到的参数选取和计算
• 2.5.1 与加热器的蓄热元件有关的几何参数
• 2.5.2 空气和燃气的物理特性参数
• 2.5.3 气流的热交换系数
• 2.6 蓄热式加热器蓄热元件长度的确定
• 2.6.1 蓄热式加热器热交换偏微分方程的介绍
• 2.6.2 蓄热式加热器蓄热长度确定
• 2.7 本章小结
• 第三章 加热器结构方案设计
• 3.1 加热器的具体结构形式
• 3.1.1 燃烧室
• 3.1.2 蓄热段
• 3.1.3 烟道转接段
• 3.2 加热器燃烧室的冷却方式
• 3.2.1 加热器工作过程中的传热过程
• 3.2.2 气膜冷却方法
• 3.3 加热器壳体壁温及强度计算
• 3.3.1 加热器壳体壁温计算
• 3.3.2 加热器壳体应力分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 加热器性能分析
• 4.1 燃烧加热换热过程分析
• 4.1.1 加热器蓄热元件温度随加热时间的变化
• 4.1.2 沿加热器轴向烟气、蓄热元件温度分布
• 4.2 吹风试验换热过程分析
• 4.2.1 Ma=6、P=6MPa下工作的换热过程
• 4.2.2 其他马赫数、压力下工作的换热过程
• 4.3 加热器燃烧加热过程的数值模拟
• 4.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果