一种低热沉的高温燃气通道设计方法与流程

技术特征：
1.一种低热沉的高温燃气通道设计方法，其特征在于，所述高温燃气通道包括通道壁与冷却结构，所述通道壁包括若干筒状结构的壁面，各所述壁面逐层套设，其中，相邻的两个壁面之间具有筒状结构的环腔，且每相邻的两个壁面之间通过支撑肋相连，相邻环腔中的支撑肋相互错开，所述冷却结构为沿周向间隔设在最外层的壁面上的若干冷却槽，所述环腔内填充有隔热材料，且最内层壁面上具有隔热涂层；所述设计方法具体包括：步骤1，获取高温燃气通道沿程各位置所需传导的最小热流密度；步骤2，基于最小热流密度确定高温燃气通道沿程各位置所需传导的实际热流密度的取值范围；步骤3，基于冷却剂的流量对冷却槽的数目、槽宽与槽高进行匹配设计，并得到冷却结构的传热系数；步骤4，基于高温燃气通道沿程各位置所需传导的实际热流密度、冷却结构的传热系数得到通道壁的导热热阻；步骤5，选取设计参数取值以适应步骤4中通道壁的导热热阻，所述尺寸参数包括环腔的层数、各壁面的厚度、各环腔的高度、各环腔内相邻支撑肋之间的间距长度；步骤6，对步骤5中的设计结果进行有限元计算校核，如超出约束条件，则修改实际热流密度的取值范围，重复开展步骤3
‑
5，直到满足约束条件。2.根据权利要求1所述低热沉的高温燃气通道设计方法，其特征在于，步骤1中，不考虑燃气辐射的情况下，所述最小热流密度的获取过程为：q
min
＝h
wg
(t
aw
‑
t
mh
) q
r
ꢀꢀꢀ
(1)式中，q
min
为最小热流密度，t
mh
为高温燃气通道内壁的可靠工作温度，t
aw
为高温燃气通道燃气表面的恢复温度，h
wg
为高温燃气通道内燃气与高温燃气通道内壁之间的对流传热系数，q
r
为燃气辐射热流；其中：式中，t
c，ns
为高温燃气总温，r为当地恢复系数，m为高温燃气通道沿程各位置的当地燃气流动马赫数，k为燃气混合物比热比；设某一截面a处高温燃气由液体火箭发动机燃烧产生，根据高温燃气流动马赫数m可以由迭代求解获得对应的假想发动机喉部面积a
t
：进而高温燃气与壁面的对流换热系数h
wg
可以由bartz公式获得：式中，d
t
当量喉部直径，c
pg
为燃气定压比热，μ
g
为燃气动力粘度，pr
g
为燃
气的普朗特数，p
c.ns
为高温燃气总压c
*
为特征速度，可由火箭发动机热力计算获得，r为喉部处喷管的曲率半径，该项影响很小，在此处可以取r＝d
t
，σ为修正系数；若高温燃气通道内壁有涂层，则需要将上述公式中t
mh
更换为涂层燃气侧温度t
tcg
，进一步式中，δ
tc
与λ
tc
分别为隔热涂层的厚度与热导率，此情况下，联立式(1)和(6)，并采用迭代求解方法获得t
tcg
，进而求得q
min
。3.根据权利要求2所述低热沉的高温燃气通道设计方法，其特征在于，所述修正系数的计算过程为：4.根据权利要求3所述低热沉的高温燃气通道设计方法，其特征在于，步骤3中，基于冷却剂的流量对冷却槽的数目、槽宽与槽高进行匹配设计，具体为：获取冷却剂的流速v
l
，其中，冷却剂的流速v
l
的取值范围为1～10m/s，并基于冷却剂的流速v
l
得到各冷却槽的总流通面积a
l
：式中，ρ
l
为冷却剂的密度，为冷却剂的流量；在此基础上：a
l
＝n
l
w
l
h
l
ꢀꢀꢀꢀ
(9)式中，n
l
、w
l
、h
l
为冷却槽的数目、槽宽、槽高，选取n
l
、w
l
、h
l
的具体取值使其满足总流通面积a
l
即可。5.根据权利要求3所述低热沉的高温燃气通道设计方法，其特征在于，步骤3中，所述冷却结构的传热系数的计算过程为：式中，h
wl
为冷却结构的传热系数，ρ
l
为冷却剂密度，λ
l
为冷却剂导热系数，pr
l
为冷却剂的普朗特数，v
l
为冷却剂的流速，μ
l
为冷却剂的粘度，d
l
为冷却槽槽道的水力直径，对于矩形通道，则有：6.根据权利要求1所述低热沉的高温燃气通道设计方法，其特征在于，步骤4，所述基于高温燃气通道沿程各位置所需传导的实际热流密度、冷却结构的传热系数得到通道壁的导热热阻，具体为：总导热热阻、高温燃气通道内外壁温差与实际热流密度的关系为：
推导得到：式中，q为高温燃气通道的实际热流密度，r
w
表示通道壁的导热热阻，t
l
表示冷却剂温度，表示冷却剂侧的对流换热热阻，r
g
为燃气侧综合热阻：其中，燃气侧综合热阻r
g
包含了燃气侧的对流换热热阻、辐射热阻和涂层的热阻δ
tc
/λ
tc
的综合作用。7.根据权利要求1所述低热沉的高温燃气通道设计方法，其特征在于，步骤5中，选取设计参数取值以适应步骤4中通道壁的导热热阻，所述尺寸参数包括环腔的层数m、各壁面的厚度δ
n
、各环腔的高度h
n
、各环腔内相邻支撑肋之间的间距长度l
n
，n＝1,2,
…
,m；在给定燃气侧参数、冷却剂侧参数、通道壁物性参数和壁面辐射参数等的情况下，可以通过有限元方法获得燃气通道壁温度分布和导热热阻r
w
；在初步设计时，假设各环腔内外侧壁温一致，分别为t
ns
和t
nx
，通过如下简化计算公式进行计算，待确定优化参数后，再细化校核，最终确定通道壁的各设计参数，简化计算方法具体为：对于具有m个环腔的通道壁，其导热热阻主要包括m 1个壁面的导热热阻，以及m个环腔的辐射热阻，由于环腔内填充有隔热材料，所以认为环腔的辐射热阻为0，因此，当m＝1时，通道壁的导热热阻r
1w
需满足下式：式中，λ
w
表示壁面材料热导率，δ1表示第一层壁面的壁厚，h1表示第一层环腔的高度，l1表示第一层环腔内相邻支撑肋之间的间距长度，δ
f
表示最后一层壁面的壁厚，ε为壁面材料的表面黑度；此后，每当m的数量增加1时，在上式(14)的右边项增加如下参数：式中，δ
n
表示第n层壁面的壁厚，h
n
表示第n层环腔的高度，l
n
表示第n层环腔内相邻支撑肋之间的间距长度；最终:并基于仿真或数值模拟，以结构质量最轻为优化目标、以热应力需求、壁面最大温度、
冷却剂流量和温升等为约束，选取m、δ
n
、δ
f
、h
n
、l
n
的具体取值，其中，n＝1，2，
···
，m。

技术总结
本发明公开了一种低热沉的高温燃气通道设计方法，具体包括：获取高温燃气通道沿程各位置所需传导的最小热流密度；基于最小热流密度确定高温燃气通道沿程各位置所需传导的实际热流密度的取值范围；基于冷却剂的流量对冷却槽的数目、槽宽与槽高进行匹配设计，并得到冷却结构的传热系数；基于高温燃气通道沿程各位置所需传导的实际热流密度、冷却结构的传热系数得到通道壁的导热热阻；选取设计参数取值以适应通道壁的导热热阻，所述尺寸参数包括环腔的层数、各壁面的厚度、各环腔的高度、各环腔内相邻支撑肋之间的间距长度。通过对通道壁的具体尺寸进行优化设计，实现了高温流体通道在保证安全工作前提下耗费工质热沉最小。保证安全工作前提下耗费工质热沉最小。保证安全工作前提下耗费工质热沉最小。


技术研发人员：吴继平 王振国 邹建军 徐万武 孙明波 潘余 陈健 张家奇 肖礼 刘斌
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2021.07.27
技术公布日：2021/9/13