一种多斜孔火焰筒壁温计算方法技术

本申请属于航空发动机领域，特别涉及一种多斜孔火焰筒壁温计算方法，基于内部辐射、内部对流、外部辐射、外部对流、孔内对流以及导热关系式，建立步骤1的热平衡关系式，确立基于火焰筒冷侧壁温和火焰筒热侧壁温的非线性关系式，按照牛顿迭代法进行求解，最终获得所需火焰筒壁温。焰筒壁温。焰筒壁温。

A calculation method of wall temperature of multi inclined hole flame tube

【技术实现步骤摘要】
一种多斜孔火焰筒壁温计算方法


[0001]本申请属于航空发动机领域，特别涉及一种多斜孔火焰筒壁温计算方法。

技术介绍

[0002]多斜孔冷却亦称为全覆盖气膜冷却，具有冷却效率高(通常不低于80％)、壁温梯度小以及冷却空气的穿透深度小、几乎不会干扰燃烧等突出优点而被广泛应用于主燃烧室火焰筒。作为一种复合性冷却结构，多斜孔冷却包括冷侧壁面的对流换热、孔内的对流换热以及热侧壁面的对流换热等多种冷却方式，火焰筒内的燃气对多孔冷却火焰筒的辐射量也是不容忽视的重要热源。多孔冷却火焰筒的受热环境直接决定了火焰筒的壁面温度，火焰筒壁温是影响火焰筒寿命的重要因素，也是评估冷却效果的重要指标，对于指导冷却结构设计具备重要的研究意义。
[0003]获得多孔火焰筒壁温的可靠途径通常为部件试验，成本较高且周期较长，本专利技术发展了一种多孔冷却火焰筒一维壁温计算分析方法和程序，可快速且有效得获得多孔冷却火焰筒壁面温度，极大缩短了多斜孔冷却结构优化迭代设计的周期，节约研制成本。
[0004]多斜孔火焰筒壁温获取的途径主要是部件试验以及数值仿真计算。
[0005]加工试验件以及开展试验需要大量经费的支持，同时试验件的研制至少需要半年左右时间，得到试验结果后如需改进设计，仍需重新进行试验件加工以及开展试验，代价昂贵且耗时。
[0006]壁温数值仿真计算主要采用商业软件，由于航空发动机燃烧室多尺度和强三维的流动特性，加之内部燃料的燃烧，现今的仿真手段无法准确评估其流动及燃烧特性，而燃烧室的流动及燃烧特性决定了火焰筒壁温分布，故难以实现壁温计算的精确预估。同时多斜孔火焰筒三维壁温数值仿真需建立复杂的燃烧室结构模型，为提高计算精度还需保证足够小的网格尺度，主燃烧室火焰筒多斜孔数目通常在万级以上，孔径通常在1mm左右，网格划分较为困难。

技术实现思路

[0007]为了解决上述问题，本申请提供了一种多斜孔火焰筒壁温计算方法，包括：
[0008]步骤S1：建立内部辐射关系式；建立内部对流关系式；建立外部辐射关系式；建立外部对流关系式；建立孔内对流关系式；建立导热关系式；
[0009]步骤S2：基于内部辐射关系式、内部对流关系式、外部辐射关系式、外部对流关系式、孔内对流关系式以及导热关系式，建立热平衡关系式；
[0010]步骤S3：基于所述热平衡关系式，确立火焰筒冷侧壁温和火焰筒热侧壁温的非线性关系式；
[0011]步骤S4：解算所述非线性关系式，确定火焰筒壁温。
[0012]优选的是，所述内部辐射具体是燃气向火焰筒壁的辐射，其热通量为R1具体建立公式：
[0013][0014]式中：
[0015]σ—斯蒂芬
‑
波尔兹曼常数，其值为5.67
×
10
‑8W/(m2.K4)；
[0016]ε
w
—火焰筒壁的发射率；
[0017]ε
g
—燃气的发射率；
[0018]T
g
—燃气温度，K；
[0019]T
w1
—火焰筒热侧(燃气侧)壁温，K。
[0020]优选的是，所述内部对流是指燃气与火焰筒壁之间的对流换热，其热通量C1按下式计算：
[0021][0022]式中：
[0023]C—修正系数，其值为1.5～2.0；
[0024]Re—基于燃气和火焰筒水力直径的雷诺数；
[0025]Pr—燃气的普朗特数；
[0026]κ
g
—燃气的导热率，W/(m.K)；
[0027]D
l
—火焰筒的的水力直径，m；
[0028]T
wad
—火焰筒的绝热壁温，K；
[0029]T
w1
—火焰筒热侧壁温，K。
[0030]优选的是，所外部对流是指火焰筒壁与环腔空气之间的对流换热，其热通量C2按下式计算：
[0031][0032]式中：
[0033]κ
a
—冷却空气的导热率，W/(m.K)；
[0034]D
an
—环腔的水力直径，m；
[0035]—环腔的空气流量，kg/s；
[0036]A
an
—环腔截面积，m2；
[0037]μ
a
—冷却空气的动力粘性系数，Pa.s；
[0038]T
w2
—火焰筒冷侧壁温，K；
[0039]T
an
—环腔空气温度，K。
[0040]优选的是，孔内对流指孔内冷却空气与火焰筒壁之间的对流换热，其热通量C
h
按下式计算：
[0041][0042]式中：
[0043]κ
a
—冷却空气的导热率，W/(m.K)；
[0044]d—发散孔直径，m；
[0045]Re—基于冷却空气和发散孔直径的雷诺数；
[0046]Pr—冷却空气的普朗特数；
[0047]l—发散孔长度，m；
[0048]T
w
—火焰筒壁温，K；
[0049]T
c
—冷却空气温度，K。
[0050]优选的是，所述导热关系式具体建立方式：
[0051]将火焰筒壁按无限大平壁处理，故通过火焰筒壁的传导热通量K1‑2按下式计算：
[0052][0053]式中：
[0054]κ
w
—火焰筒壁的导热率，W/(m.K)；
[0055]t
w
—火焰筒壁厚，m；
[0056]T
w1
—火焰筒热侧壁温，K；
[0057]T
w2
—火焰筒冷侧壁温，K。
[0058]优选的是，按照牛顿迭代法进行解算所述非线性关系式。
[0059]优选的是，所述热平衡关系式：
[0060]R1+C1‑
C
h
·
ΔA
h
＝R2+C2＝K1‑2[0061]C2‑
至环腔空气的对流热通量；R2‑
至机匣的辐射热通量；k1‑2‑
通过筒壁的传导热通量；C1‑
燃气的对流热通量；R1‑
燃气的辐射热通量；C
h
‑
孔内的对流热通量。
[0062]优选的是，多斜孔火焰筒壁温计算方法应用于多孔冷却火焰筒，所述多孔冷却火焰筒的内表面积与外表面积相等。
[0063]本申请的优点包括：本专利技术基于主燃烧室火焰筒受热环境，构建热平衡关系式，通过火焰辐射、外部辐射、内部对流、外部对流、孔内对流、火焰筒壁面导热六个热通量模型，得到关于火焰筒热侧壁温和火焰筒冷侧壁温的非线性方程。采用牛顿迭代法确定其近似解，获取火焰筒壁温。并发展了一维壁温计算程序，可快速且有效得获得多孔冷却火焰筒壁面温度，极大缩短了多斜孔冷却结构优化迭本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多斜孔火焰筒壁温计算方法，其特征在于，包括：步骤S1：建立内部辐射关系式；建立内部对流关系式；建立外部辐射关系式；建立外部对流关系式；建立孔内对流关系式；建立导热关系式；步骤S2：基于内部辐射关系式、内部对流关系式、外部辐射关系式、外部对流关系式、孔内对流关系式以及导热关系式，建立热平衡关系式；步骤S3：基于所述热平衡关系式，确立火焰筒冷侧壁温和火焰筒热侧壁温的非线性关系式；步骤S4：解算所述非线性关系式，确定火焰筒壁温。2.如权利要求1所述的多斜孔火焰筒壁温计算方法，其特征在于，所述内部辐射具体是燃气向火焰筒壁的辐射，其热通量为R1具体建立公式：式中：σ—斯蒂芬
‑
波尔兹曼常数，其值为5.67
×
10
‑8W/(m2.K4)；ε
w
—火焰筒壁的发射率；ε
g
—燃气的发射率；T
g
—燃气温度，K；T
w1
—火焰筒热侧(燃气侧)壁温，K。3.如权利要求1所述的多斜孔火焰筒壁温计算方法，其特征在于，所述内部对流是指燃气与火焰筒壁之间的对流换热，其热通量C1按下式计算：式中：C—修正系数，其值为1.5～2.0；Re—基于燃气和火焰筒水力直径的雷诺数；Pr—燃气的普朗特数；κ
g
—燃气的导热率，W/(m.K)；D
l
—火焰筒的水力直径，m；T
wad
—火焰筒的绝热壁温，K；T
w1
—火焰筒热侧壁温，K。4.如权利要求1所述的多斜孔火焰筒壁温计算方法，其特征在于，所外部对流是指火焰筒壁与环腔空气之间的对流换热，其热通量C2按下式计算：式中：κ
a
—冷却空气的导热率，W/(m.K)；
D
an
—环腔的水力直径，m；—环腔的空气...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亚林，张军峰，张宏达，程明，张成凯，万斌，
申请(专利权)人：中国航发沈阳发动机研究所，
类型：发明
国别省市：