火箭發(fā)動機熱防護技術
本書從火箭發(fā)動機熱防護技術的基本概念和基本理論出發(fā),詳細、系統(tǒng)地介紹了不同的火箭發(fā)動機熱防護方式以及相應的計算模型和計算方法。全書共分為5章,包括:緒論、再生冷卻、膜冷卻、發(fā)汗冷卻和燒蝕熱防護,并通過典型的計算算例分析,理論結合實際,反映了當前火箭發(fā)動機熱防護領域的新技術和新成就。
本書可作為高等院校航天推進專業(yè)的教材,也可供從事火箭發(fā)動機熱防護研究和設計的工程技術人員參考。
第1章 緒 論…………………………………………………………………………………… 1
1.1 火箭發(fā)動機熱環(huán)境及特點……………………………………………………………… 1
1.2 火箭發(fā)動機常用的熱防護方法………………………………………………………… 3
1.2.1 再生冷卻…………………………………………………………………………… 4
1.2.2 膜冷卻……………………………………………………………………………… 6
1.2.3 發(fā)汗冷卻…………………………………………………………………………… 7
1.2.4 燒蝕冷卻…………………………………………………………………………… 7
1.2.5 輻射冷卻…………………………………………………………………………… 8
1.2.6 熱沉冷卻…………………………………………………………………………… 9
1.2.7 排放冷卻…………………………………………………………………………… 9
第2章 再生冷卻……………………………………………………………………………… 11
2.1 概 述…………………………………………………………………………………… 11
2.1.1 再生冷卻的原理…………………………………………………………………… 11
2.1.2 再生冷卻的優(yōu)缺點………………………………………………………………… 13
2.1.3 再生冷卻的發(fā)展歷程……………………………………………………………… 13
2.1.4 再生冷卻的應用…………………………………………………………………… 14
2.2 再生冷卻的結構及設計………………………………………………………………… 15
2.2.1 再生冷卻的結構形式……………………………………………………………… 15
2.2.2 再生冷卻的結構設計準則及設計方法…………………………………………… 16
2.2.3 再生冷卻的結構優(yōu)化設計………………………………………………………… 19
2.3 冷卻劑參數的計算……………………………………………………………………… 23
2.3.1 密度的計算………………………………………………………………………… 24
2.3.2 比定壓熱容的計算………………………………………………………………… 25
2.3.3 導熱系數的計算…………………………………………………………………… 25
2.3.4 粘度的計算………………………………………………………………………… 26
2.4 冷卻劑流動模型………………………………………………………………………… 28
2.4.1 模型概述…………………………………………………………………………… 28
2.4.2 LVEL模型………………………………………………………………………… 29
2.4.3 Baldwin Lomax模型…………………………………………………………… 30
2.4.4 k ε 模型………………………………………………………………………… 31
2.4.5 冷卻通道中的壓降………………………………………………………………… 33
2.5 再生冷卻傳熱的計算…………………………………………………………………… 33
2.5.1 燃氣側對流換熱的計算…………………………………………………………… 34
2.5.2 燃氣側輻射換熱的計算…………………………………………………………… 38
2.5.3 冷卻通道對流換熱的計算………………………………………………………… 42
2.5.4 壁面溫度場的計算………………………………………………………………… 45
2.6 再生冷卻多場耦合的計算……………………………………………………………… 45
2.6.1 一維耦合傳熱的計算……………………………………………………………… 46
2.6.2 二維耦合傳熱的計算……………………………………………………………… 46
2.6.3 三維耦合傳熱的計算……………………………………………………………… 48
2.6.4 計算實例…………………………………………………………………………… 54
2.6.5 再生冷卻的影響因素……………………………………………………………… 55
2.7 室壁強度分析及壽命預估……………………………………………………………… 66
2.7.1 結構非線性分析…………………………………………………………………… 68
2.7.2 壽命預估…………………………………………………………………………… 75
2.8 本章小結………………………………………………………………………………… 79
參考文獻……………………………………………………………………………………… 79
第3章 膜冷卻………………………………………………………………………………… 84
3.1 概 述…………………………………………………………………………………… 84
3.1.1 膜冷卻的原理……………………………………………………………………… 84
3.1.2 膜冷卻的分類……………………………………………………………………… 85
3.1.3 膜冷卻的優(yōu)缺點…………………………………………………………………… 87
3.1.4 膜冷卻的發(fā)展歷程………………………………………………………………… 88
3.1.5 膜冷卻的應用……………………………………………………………………… 90
3.2 膜冷卻的結構…………………………………………………………………………… 94
3.2.1 冷卻劑的噴入結構形式…………………………………………………………… 94
3.2.2 冷卻劑的射流結構………………………………………………………………… 95
3.2.3 液膜冷卻的環(huán)帶設計……………………………………………………………… 96
3.3 氣膜冷卻理論…………………………………………………………………………… 99
3.3.1 氣膜冷卻的效果………………………………………………………………… 100
3.3.2 氣膜冷卻的影響因素…………………………………………………………… 101
3.3.3 超聲速氣膜冷卻………………………………………………………………… 104
3.4 氣膜冷卻模型及計算方法…………………………………………………………… 107
3.4.1 計算模型………………………………………………………………………… 107
3.4.2 傳熱過程………………………………………………………………………… 108
3.4.3 氣膜冷卻經驗公式……………………………………………………………… 110
3.4.4 一維計算方法…………………………………………………………………… 112
3.5 液膜冷卻理論………………………………………………………………………… 113
3.5.1 液膜冷卻的影響因素…………………………………………………………… 114
3.5.2 液膜冷卻的傳質傳熱過程……………………………………………………… 116
3.5.3 液膜長度的計算………………………………………………………………… 120
3.5.4 近壁燃氣混合比的計算………………………………………………………… 123
3.5.5 超臨界液膜冷卻………………………………………………………………… 126
3.6 液膜冷卻的數值計算………………………………………………………………… 131
3.6.1 模型及網格劃分………………………………………………………………… 132
3.6.2 控制方程………………………………………………………………………… 132
3.6.3 邊界條件及假設………………………………………………………………… 133
3.6.4 計算實例………………………………………………………………………… 134
3.7 液膜再生復合冷卻技術……………………………………………………………… 136
3.7.1 液膜再生復合冷卻概述………………………………………………………… 136
3.7.2 液膜再生復合冷卻傳熱過程…………………………………………………… 137
3.7.3 液膜再生復合冷卻數值計算方法……………………………………………… 138
3.8 本章小結……………………………………………………………………………… 143
參考文獻……………………………………………………………………………………… 143
第4章 發(fā)汗冷卻……………………………………………………………………………… 147
4.1 概 述………………………………………………………………………………… 147
4.1.1 發(fā)汗冷卻的原理………………………………………………………………… 147
4.1.2 發(fā)汗冷卻和膜冷卻的區(qū)別……………………………………………………… 150
4.1.3 發(fā)汗冷卻的優(yōu)缺點……………………………………………………………… 150
4.1.4 發(fā)汗冷卻的發(fā)展歷程…………………………………………………………… 152
4.1.5 發(fā)汗冷卻的應用………………………………………………………………… 154
4.2 發(fā)汗冷卻材料………………………………………………………………………… 158
4.2.1 自發(fā)汗冷卻材料………………………………………………………………… 158
4.2.2 強迫發(fā)汗冷卻材料……………………………………………………………… 161
4.3 發(fā)汗冷卻的結構形式及特點………………………………………………………… 164
4.3.1 層板發(fā)汗冷卻的結構…………………………………………………………… 164
4.3.2 多孔發(fā)汗冷卻的結構…………………………………………………………… 167
4.4 層板發(fā)汗冷卻的理論和模型………………………………………………………… 168
4.4.1 層板發(fā)汗冷卻的機理…………………………………………………………… 169
4.4.2 層板發(fā)汗冷卻的模型…………………………………………………………… 170
4.4.3 離散方法………………………………………………………………………… 175
4.4.4 經驗公式………………………………………………………………………… 177
4.5 多孔發(fā)汗冷卻的理論和模型………………………………………………………… 180
4.5.1 多孔發(fā)汗冷卻的機理…………………………………………………………… 180
4.5.2 多孔發(fā)汗冷卻的模型…………………………………………………………… 182
4.5.3 經驗公式………………………………………………………………………… 187
4.6 發(fā)汗冷卻的計算……………………………………………………………………… 189
4.6.1 冷卻通道內流動換熱特性的研究……………………………………………… 189
4.6.2 層板發(fā)汗推力室燃氣流動與壁溫特性的研究………………………………… 192
4.6.3 二維發(fā)汗冷卻流場的計算……………………………………………………… 194
4.7 本章小結……………………………………………………………………………… 198
參考文獻……………………………………………………………………………………… 199
第5章 燒蝕熱防護…………………………………………………………………………… 203
5.1 概 述………………………………………………………………………………… 203
5.1.1 燒蝕熱防護的原理……………………………………………………………… 203
5.1.2 燒蝕熱防護的發(fā)展史…………………………………………………………… 203
5.1.3 燒蝕熱防護的優(yōu)缺點…………………………………………………………… 204
5.1.4 燒蝕熱防護的應用……………………………………………………………… 204
5.2 燒蝕材料……………………………………………………………………………… 205
5.2.1 熔化型燒蝕材料………………………………………………………………… 206
5.2.2 升華型燒蝕材料………………………………………………………………… 207
5.2.3 碳化復合材料…………………………………………………………………… 209
5.2.4 新型燒蝕材料…………………………………………………………………… 211
5.3 燒蝕機理……………………………………………………………………………… 217
5.3.1 硅基復合材料的燒蝕機理……………………………………………………… 217
5.3.2 C/C復合材料的燒蝕機理……………………………………………………… 218
5.3.3 C/SiC復合材料的氧化過程及機理…………………………………………… 218
5.3.4 碳化復合材料的燒蝕機理……………………………………………………… 224
5.3.5 機械剝蝕的機理………………………………………………………………… 226
5.4 燒蝕熱防護的計算…………………………………………………………………… 227
5.4.1 C/C材料燒蝕過程的計算……………………………………………………… 227
5.4.2 C/SiC復合材料燒蝕的計算…………………………………………………… 231
5.4.3 碳化材料燒蝕過程的計算……………………………………………………… 239
5.4.4 燒蝕邊界與動網格處理………………………………………………………… 257
5.5 本章小結……………………………………………………………………………… 258
參考文獻……………………………………………………………………………………… 258
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