火箭发动机热防护技术
本书从火箭发动机热防护技术的基本概念和基本理论出发,详细、系统地介绍了不同的火箭发动机热防护方式以及相应的计算模型和计算方法。全书共分为5章,包括:绪论、再生冷却、膜冷却、发汗冷却和烧蚀热防护,并通过典型的计算算例分析,理论结合实际,反映了当前火箭发动机热防护领域的新技术和新成就。
本书可作为高等院校航天推进专业的教材,也可供从事火箭发动机热防护研究和设计的工程技术人员参考。
第1章 绪 论…………………………………………………………………………………… 1
1.1 火箭发动机热环境及特点……………………………………………………………… 1
1.2 火箭发动机常用的热防护方法………………………………………………………… 3
1.2.1 再生冷却…………………………………………………………………………… 4
1.2.2 膜冷却……………………………………………………………………………… 6
1.2.3 发汗冷却…………………………………………………………………………… 7
1.2.4 烧蚀冷却…………………………………………………………………………… 7
1.2.5 辐射冷却…………………………………………………………………………… 8
1.2.6 热沉冷却…………………………………………………………………………… 9
1.2.7 排放冷却…………………………………………………………………………… 9
第2章 再生冷却……………………………………………………………………………… 11
2.1 概 述…………………………………………………………………………………… 11
2.1.1 再生冷却的原理…………………………………………………………………… 11
2.1.2 再生冷却的优缺点………………………………………………………………… 13
2.1.3 再生冷却的发展历程……………………………………………………………… 13
2.1.4 再生冷却的应用…………………………………………………………………… 14
2.2 再生冷却的结构及设计………………………………………………………………… 15
2.2.1 再生冷却的结构形式……………………………………………………………… 15
2.2.2 再生冷却的结构设计准则及设计方法…………………………………………… 16
2.2.3 再生冷却的结构优化设计………………………………………………………… 19
2.3 冷却剂参数的计算……………………………………………………………………… 23
2.3.1 密度的计算………………………………………………………………………… 24
2.3.2 比定压热容的计算………………………………………………………………… 25
2.3.3 导热系数的计算…………………………………………………………………… 25
2.3.4 粘度的计算………………………………………………………………………… 26
2.4 冷却剂流动模型………………………………………………………………………… 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 冷却通道中的压降………………………………………………………………… 33
2.5 再生冷却传热的计算…………………………………………………………………… 33
2.5.1 燃气侧对流换热的计算…………………………………………………………… 34
2.5.2 燃气侧辐射换热的计算…………………………………………………………… 38
2.5.3 冷却通道对流换热的计算………………………………………………………… 42
2.5.4 壁面温度场的计算………………………………………………………………… 45
2.6 再生冷却多场耦合的计算……………………………………………………………… 45
2.6.1 一维耦合传热的计算……………………………………………………………… 46
2.6.2 二维耦合传热的计算……………………………………………………………… 46
2.6.3 三维耦合传热的计算……………………………………………………………… 48
2.6.4 计算实例…………………………………………………………………………… 54
2.6.5 再生冷却的影响因素……………………………………………………………… 55
2.7 室壁强度分析及寿命预估……………………………………………………………… 66
2.7.1 结构非线性分析…………………………………………………………………… 68
2.7.2 寿命预估…………………………………………………………………………… 75
2.8 本章小结………………………………………………………………………………… 79
参考文献……………………………………………………………………………………… 79
第3章 膜冷却………………………………………………………………………………… 84
3.1 概 述…………………………………………………………………………………… 84
3.1.1 膜冷却的原理……………………………………………………………………… 84
3.1.2 膜冷却的分类……………………………………………………………………… 85
3.1.3 膜冷却的优缺点…………………………………………………………………… 87
3.1.4 膜冷却的发展历程………………………………………………………………… 88
3.1.5 膜冷却的应用……………………………………………………………………… 90
3.2 膜冷却的结构…………………………………………………………………………… 94
3.2.1 冷却剂的喷入结构形式…………………………………………………………… 94
3.2.2 冷却剂的射流结构………………………………………………………………… 95
3.2.3 液膜冷却的环带设计……………………………………………………………… 96
3.3 气膜冷却理论…………………………………………………………………………… 99
3.3.1 气膜冷却的效果………………………………………………………………… 100
3.3.2 气膜冷却的影响因素…………………………………………………………… 101
3.3.3 超声速气膜冷却………………………………………………………………… 104
3.4 气膜冷却模型及计算方法…………………………………………………………… 107
3.4.1 计算模型………………………………………………………………………… 107
3.4.2 传热过程………………………………………………………………………… 108
3.4.3 气膜冷却经验公式……………………………………………………………… 110
3.4.4 一维计算方法…………………………………………………………………… 112
3.5 液膜冷却理论………………………………………………………………………… 113
3.5.1 液膜冷却的影响因素…………………………………………………………… 114
3.5.2 液膜冷却的传质传热过程……………………………………………………… 116
3.5.3 液膜长度的计算………………………………………………………………… 120
3.5.4 近壁燃气混合比的计算………………………………………………………… 123
3.5.5 超临界液膜冷却………………………………………………………………… 126
3.6 液膜冷却的数值计算………………………………………………………………… 131
3.6.1 模型及网格划分………………………………………………………………… 132
3.6.2 控制方程………………………………………………………………………… 132
3.6.3 边界条件及假设………………………………………………………………… 133
3.6.4 计算实例………………………………………………………………………… 134
3.7 液膜再生复合冷却技术……………………………………………………………… 136
3.7.1 液膜再生复合冷却概述………………………………………………………… 136
3.7.2 液膜再生复合冷却传热过程…………………………………………………… 137
3.7.3 液膜再生复合冷却数值计算方法……………………………………………… 138
3.8 本章小结……………………………………………………………………………… 143
参考文献……………………………………………………………………………………… 143
第4章 发汗冷却……………………………………………………………………………… 147
4.1 概 述………………………………………………………………………………… 147
4.1.1 发汗冷却的原理………………………………………………………………… 147
4.1.2 发汗冷却和膜冷却的区别……………………………………………………… 150
4.1.3 发汗冷却的优缺点……………………………………………………………… 150
4.1.4 发汗冷却的发展历程…………………………………………………………… 152
4.1.5 发汗冷却的应用………………………………………………………………… 154
4.2 发汗冷却材料………………………………………………………………………… 158
4.2.1 自发汗冷却材料………………………………………………………………… 158
4.2.2 强迫发汗冷却材料……………………………………………………………… 161
4.3 发汗冷却的结构形式及特点………………………………………………………… 164
4.3.1 层板发汗冷却的结构…………………………………………………………… 164
4.3.2 多孔发汗冷却的结构…………………………………………………………… 167
4.4 层板发汗冷却的理论和模型………………………………………………………… 168
4.4.1 层板发汗冷却的机理…………………………………………………………… 169
4.4.2 层板发汗冷却的模型…………………………………………………………… 170
4.4.3 离散方法………………………………………………………………………… 175
4.4.4 经验公式………………………………………………………………………… 177
4.5 多孔发汗冷却的理论和模型………………………………………………………… 180
4.5.1 多孔发汗冷却的机理…………………………………………………………… 180
4.5.2 多孔发汗冷却的模型…………………………………………………………… 182
4.5.3 经验公式………………………………………………………………………… 187
4.6 发汗冷却的计算……………………………………………………………………… 189
4.6.1 冷却通道内流动换热特性的研究……………………………………………… 189
4.6.2 层板发汗推力室燃气流动与壁温特性的研究………………………………… 192
4.6.3 二维发汗冷却流场的计算……………………………………………………… 194
4.7 本章小结……………………………………………………………………………… 198
参考文献……………………………………………………………………………………… 199
第5章 烧蚀热防护…………………………………………………………………………… 203
5.1 概 述………………………………………………………………………………… 203
5.1.1 烧蚀热防护的原理……………………………………………………………… 203
5.1.2 烧蚀热防护的发展史…………………………………………………………… 203
5.1.3 烧蚀热防护的优缺点…………………………………………………………… 204
5.1.4 烧蚀热防护的应用……………………………………………………………… 204
5.2 烧蚀材料……………………………………………………………………………… 205
5.2.1 熔化型烧蚀材料………………………………………………………………… 206
5.2.2 升华型烧蚀材料………………………………………………………………… 207
5.2.3 碳化复合材料…………………………………………………………………… 209
5.2.4 新型烧蚀材料…………………………………………………………………… 211
5.3 烧蚀机理……………………………………………………………………………… 217
5.3.1 硅基复合材料的烧蚀机理……………………………………………………… 217
5.3.2 C/C复合材料的烧蚀机理……………………………………………………… 218
5.3.3 C/SiC复合材料的氧化过程及机理…………………………………………… 218
5.3.4 碳化复合材料的烧蚀机理……………………………………………………… 224
5.3.5 机械剥蚀的机理………………………………………………………………… 226
5.4 烧蚀热防护的计算…………………………………………………………………… 227
5.4.1 C/C材料烧蚀过程的计算……………………………………………………… 227
5.4.2 C/SiC复合材料烧蚀的计算…………………………………………………… 231
5.4.3 碳化材料烧蚀过程的计算……………………………………………………… 239
5.4.4 烧蚀边界与动网格处理………………………………………………………… 257
5.5 本章小结……………………………………………………………………………… 258
参考文献……………………………………………………………………………………… 258
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