一种多入口再生冷却通道结构的仿真模型建立方法

本发明属于高超音速飞行器热防护，涉及一种多入口再生冷却通道结构的仿真模型建立方法。

背景技术：

1、高超声速飞行器在军事和民用领域均有着重要意义，因而受到广泛的关注。可提供大推力的超燃冲压发动机是高超声速飞行器的重要组成部分。但是当飞行器以高马赫速度飞行时，在来流空气的气动加热和燃料的燃烧释热的共同作用下，超燃冲压发动机会面临严峻的热环境。为了解决超燃冲压发动机面临的热问题，研究人员提出了诸多热防护技术。其中，再生冷却结构简单易于制造，是一种极其具有竞争力的冷却方式。在超燃冲压发动机的再生冷却中，碳氢燃料先流过冷却通道来冷却发动机燃烧室室壁，然后再被喷入发动机燃烧室进行燃烧。碳氢燃料流经冷却通道吸收热量，温度升高带来物理热沉，同时碳氢燃料在高温下发生裂解反应带来额外的化学热沉，产生的小分子产物更利于发动机燃烧室内的燃烧。温度的升高能够促进碳氢燃料的热裂解反应。但是，温度高于壁面金属材料的最大许用温度将损害壁面金属材料的强度，甚至导致壁面融化。由于最大温度受到壁面金属材料最大许用温度的限制，冷却通道内的碳氢燃料不能被完全裂解，无法发挥出其全部的化学热沉。对再生冷却通道的结构进行优化设计是降低最大温度，提高碳氢燃料裂解率的重要手段之一。

2、目前再生冷却通道结构优化设计主要有截面参数优化、湍/涡流发生器设计、以及流动方式优化等方面。冷却通道内的湍/涡流发生器主要包括微肋、截断肋、弯肋等。在冷却通道内加入湍/涡流发生器能够增强通道内的流动换热情况，但是会导致冷却通道的加工制造难度增加并加剧焦炭的形成。对于流动方式的优化大多集中于对并行通道的流向进行优化设计，从而提高冷却通道内的换热系数并增大碳氢燃料的裂解率，但是同时会带来较大的温度上升。此外，目前的优化结构大多不具备动态调节能力，无法应对复杂多变的热环境。因此，本发明提出了一种具有多个入口的再生冷却通道结构，通过将燃油分别从主入口和次入口注入冷却通道的方式，有效提升碳氢燃料的裂解率及其发挥的化学热沉，并使得最大温度有所降低或升高幅度较小。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明的第一方面提出了一种多入口再生冷却通道结构的仿真模型建立方法，所述方法包括如下步骤：

2、步骤1，建立多个仿真几何模型，所述仿真几何模型包括：燃料裂解反应几何模型、单入口冷却通道几何模型和多入口冷却通道几何模型；所述冷却通道的几何参数与再生式冷却通道实际参数对应；

3、步骤2，根据步骤1中所建立的燃料裂解反应几何模型、单入口冷却通道几何模型和多入口冷却通道几何模型，针对每一种几何模型建立高密度、中密度和低密度三种质量流体力学计算cfd网格，以执行成网格无关性验证；

4、步骤3，使用步骤1中所建立的燃料裂解反应几何模型并采用步骤2划分的cfd网格对燃料裂解反应模型进行验证，所述验证包括：采用与燃料裂解反应模型的边界条件进行稳态仿真计算，获得仿真结果；所述边界条件与燃料裂解反应的实际实验条件相同，将仿真结果与实验结果进行比对，确认所述燃料裂解反应模型是否满足预定的精确度要求；

5、步骤4，使用燃料在步骤1中所建立单入口冷却通道几何模型和多入口冷却通道几何模型进行稳态仿真计算，计算流动换热数据和燃料的热裂解数据；

6、步骤5，当步骤4的仿真计算残差低于预定值时确认仿真结果收敛；输出仿真计算数据并对仿真计算结果做分析统计，所述后处理包括分析：温度分布、最大温度分析、正癸烷裂解程度、热沉分析、流场分布和传热恶化。

7、如本发明的第一方面所述的方法，在步骤1中，所述裂解反应几何模型为二维旋转轴对称，其边界条件与实际裂解实验中的实验条件相同；

8、所述单入口冷却通道几何模型和多入口冷却通道几何模型均为三维几何模型，其基本参数按照再生冷却构型的冷却通道实际参数设置；

9、所述多入口冷却通道几何模型包含一个主入口和一个以上的次入口；

10、所述再生冷却构型的冷却通道为平行排布构造，所述单入口冷却通道几何模型和多入口冷却通道几何模型的各侧面设置为流动循环边界；并且设置左右侧面的壁厚为上下侧面壁厚的二分之一。

11、如本发明的第一方面所述的方法，步骤2中建立cfd计算网格时，在网格无关性验证后选取的网格满足如下条件：近壁面y+值小于1.0。

12、如本发明的第一方面所述的方法，步骤2所述的cfd计算网格中，三种质量流体力学计算cfd网格均在出入口处作出延长。

13、如本发明的第一方面所述的方法，步骤2所述的cfd计算网格中，在多入口冷却通道的流体交汇处执行网格加密。

14、如本发明的第一方面所述的方法，步骤3所述的燃料裂解反应几何模型验证中，使用正癸烷作为燃料，采用一步总包反应模型描述正癸烷的热裂解反应；

15、裂解反应几何模型采用与实际实验相同的分布式温度边界条件，且燃料裂解反应几何模型的其他边界条件均与实验中的边界条件保持相同。

16、如本发明的第一方面所述的方法，步骤3所述的燃料裂解反应几何模型验证使用sst k-ω湍流模型；采用压力基求解器配合simplec算法进行计算，对湍动能和湍流耗散率采用一阶迎风格式，其余变量采用二阶迎风格式；

17、采用物性计算软件supertrapp计算正癸烷及其热裂解产物的热物性。

18、如本发明的第一方面所述的方法，步骤4所述的稳态仿真计算中，采用多种数值不同的定热流边界进行计算；

19、采用多种重力方向及多种流量配比模拟不同的冷却工况。

20、如本发明的第一方面所述的方法，步骤5所述的后处理与结果分析包括：

21、分析流体域和固体域地温度场分布，计算多入口结构带来的次入口前的整体温度升高、出口温度的降低、最大温度位置的迁移及平均温度和温度均匀性的提高；

22、分析固体域最高温度，统计多入口结构带来的最高温度的变化；

23、分析正癸烷裂解组分分布场，确定多入口结构带来的裂解起始位置的提前及总裂解率的提高；

24、分析化学热沉及化学热沉在总热沉中的占比，确定多入口结构带来的化学热沉及化学热沉占比的提高；

25、分析流体速度场的分布，确定多入口结构带来的热加速与二次流；

26、分析流体受热面温度变化，结合径向速度梯度和燃料裂解产物分布，确定多入口结构与再生冷却通道内传热恶化的关联。

27、如本发明的第一方面所述的方法，步骤5中燃料裂解程度包括：轴向裂解率分布、裂解率云图以及总裂解率，所述燃料总裂解率由出口处燃料裂解率的质量加权得出。

28、采用本发明的技术方案的优点是，进一步优化了再生冷却系统冷却效果，实现了在降低冷却通道的最大温度的同时，提升碳氢燃料裂解率及其发挥的化学热沉，提高冷却通道受热面的平均温度与温度均匀性。同时能够以最大温度较为微弱的升高为代价，进一步获得更大的优化效果，即更高的碳氢燃料裂解率及其发挥的化学热沉，更高的平均温度与更均匀的温度分布。此外，本发明赋予了再生冷却通道在不同热环境下的调节能力，为未来再生冷却系统的智能流量分配系统奠定了基础。

技术特征：

1.一种多入口再生冷却通道结构的仿真模型建立方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1中，所述裂解反应几何模型为二维旋转轴对称，其边界条件与实际裂解实验中的实验条件相同；

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中建立cfd计算网格时，在网格无关性验证后选取的网格满足如下条件：近壁面y+值小于1.0。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2所述的cfd计算网格中，三种质量流体力学计算cfd网格均在出入口处作出延长。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2所述的cfd计算网格中，在多入口冷却通道的流体交汇处执行网格加密。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3所述的燃料裂解反应几何模型验证中，使用正癸烷作为燃料，采用一步总包反应模型描述正癸烷的热裂解反应；

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3所述的燃料裂解反应几何模型验证使用sst k-ω湍流模型；采用压力基求解器配合simplec算法进行计算，对湍动能和湍流耗散率采用一阶迎风格式，其余变量采用二阶迎风格式；

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4所述的稳态仿真计算中，采用多种数值不同的定热流边界进行计算；

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5所述的后处理与结果分析包括：

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤5中燃料裂解程度包括：轴向裂解率分布、裂解率云图以及总裂解率，所述燃料总裂解率由出口处燃料裂解率的质量加权得出。

技术总结
本发明提出一种多入口再生冷却通道结构的仿真模型建立方法，包括如下步骤：建立多个仿真几何模型，所述仿真几何模型包括：燃料裂解反应几何模型、单入口冷却通道几何模型和多入口冷却通道几何模型；所述冷却通道的几何参数与再生式冷却通道实际参数对应；针对每一种几何模型建立高密度、中密度和低密度三种质量流体力学计算CFD网格，以执行成网格无关性验证；对燃料裂解反应模型进行验证，确认所述燃料裂解反应模型是否满足预定的精确度要求；使用燃料在步骤1中所建立单入口冷却通道几何模型和多入口冷却通道几何模型进行稳态仿真计算，计算流动换热数据和燃料的热裂解数据；输出仿真计算数据并对仿真计算结果做分析统计。

技术研发人员：高慧,赵佳俊,张宸,文东升
受保护的技术使用者：北京航空航天大学宁波创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23