高温气态燃料流量调节阀的多场耦合热力学特性研究

论文摘要

燃料供给的实时精确调节,对超燃冲压发动机的工作性能具有重要影响。由于超燃冲压发动机采用主动冷却热保护,即燃料在进入燃烧室之前,首先作为冷却介质经过发动机外表面对发动机进行冷却,此时燃料温度最高可以达到400~500°C。因此,流量调节阀在高温状态下的性能对超燃冲压发动机的性能具有重要的影响。为保证发动机的正常工作必须设计一种能够在高温状态下精确控制进入燃烧室燃料流量的调节阀。本文提出采用滑阀式流量调节阀来控制高温燃料供给。普通的流量调节阀工作在高温状态下会出现很多问题,例如阀材料的热膨胀导致的阀芯和阀套间隙的变化以及导致密封的失效。这些问题会导致流量调节阀精确调节性能的下降甚至无法正常工作。针对这些问题,本文对高温流量调节阀的热力学特性进行了研究。为了得到准确的计算结果,采用多场耦合的有限元分析方法对流量调节阀的热力学特性进行分析。文中给出了流量调节阀内部热传导,热流耦合传热,流体流动以及热应力应变的数学模型。通过热流耦合方法计算流体域的流体流动模型和固体域的热传导,采用热固耦合方法计算流量调节阀的热应力热应变及热变形,进而给出了燃料流场、调节阀的温度场、热应力应变以及变形的分布;同时结合试验测试调节阀的温度,验证仿真计算结果。最终得出了高温工作状态下流量调节阀的热力学特性,为流量调节阀的结构设计、改进提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 超燃冲压发动机燃油供给系统研究现状
• 1.2.2 流量调节阀高温材料研究现状
• 1.2.3 热力学分析研究现状
• 1.3 本论文主要研究内容
• 第2章 高温流量调节阀热力学特性数学模型
• 2.1 问题描述
• 2.2 热传导的数学描述
• 2.2.1 固体域导热的数学描述
• 2.2.2 对流传热的数学描述
• 2.3 流体域的数学描述
• 2.3.1 流体域的控制方程
• 2.3.2 流场计算的边界条件
• 2.3.3 固液分界面的控制方程
• 2.4 热应力应变的数学描述
• 2.4.1 热应力的数学描述
• 2.4.2 热应变的数学描述
• 2.5 本章小结
• 第3章 高温流量调节阀热力学特性有限元分析
• 3.1 有限元分析软件简介
• 3.2 流量调节阀热力学特性有限元分析建模
• 3.2.1 分析过程框图
• 3.2.2 有限元分析模型
• 3.2.3 网格划分
• 3.2.4 有限元分析模型的材料性质
• 3.2.5 边界条件设置
• 3.3 不同材料流量调节阀有限元分析
• 3.3.1 流量调节阀热力学特性仿真计算结果分析
• 3.3.2 部分位置温度分布结果分析
• 3.3.3 部分位置热变形分布结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 高温流量调节阀温度场测试试验
• 4.1 试验原理及试验装置
• 4.1.1 试验原理
• 4.1.2 试验步骤
• 4.1.3 试验台主要元件介绍
• 4.2 流量调节阀温度测试试验
• 4.3 试验结果与仿真结果比较
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢