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空天技术 2024年第3期2024卷 93-102页

作者：林源杨武青胡祥龙曹凯张聘龙戴煜南昌大学物理与材料学院南昌大学国际材料创新研究院湖南顶立科技股份有限公司湖南省新型热工装备工程技术研究中心

在高超声速风洞中，采用蓄热式加热器是获得高焓纯净来流气体最具优势的方法之一。针对高超声速风洞蓄热式加热器在长时间运行过程中存在蓄热体开裂损坏问题，采用ANSYS workbench软件对该开裂现象进行了热应力场的数值模拟，并分析了... 详细信息

在高超声速风洞中，采用蓄热式加热器是获得高焓纯净来流气体最具优势的方法之一。针对高超声速风洞蓄热式加热器在长时间运行过程中存在蓄热体开裂损坏问题，采用ANSYS workbench软件对该开裂现象进行了热应力场的数值模拟，并分析了裂纹的形成机理及其影响因素。模拟及分析结果表明，蓄热体裂纹产生的主要原因是蓄热体开孔布局不合理导致的局部高温热应力作用；蓄热体开裂是由于疲劳断裂产生的，在长时间运行过程中最大热应力值已超过其抗弯强度。通过对比分析，数值模拟结果与蓄热体实际损坏情况相一致，说明数值模拟的结果准确反映了蓄热式加热器中蓄热体产生裂纹的原因。此外，对蓄热体的改进优化及未来研究方向提出3点建议，可为高超声速蓄热式风洞加热器中的蓄热体工程设计与改进优化提供参考。

关键词：高超声速蓄热式加热器热应力场蓄热体数值模拟

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高焓纯净风洞蓄热式加热器蜂窝型蓄热体的热力耦合分析及优化设计研究

高焓纯净风洞蓄热式加热器蜂窝型蓄热体的热力耦合分析及优化设计...

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作者：林源南昌大学

学位级别：硕士

近年来,高超声速技术已成为世界各航空航天大国竞相发展的热点,因其与国家利益、空天安全密切相关而具有巨大的政治、军事及经济价值。先进高超声速风洞的研制与建设,必将对高超声速技术的突破、军事国防等领域的发展起到决定性的作用,... 详细信息

近年来,高超声速技术已成为世界各航空航天大国竞相发展的热点,因其与国家利益、空天安全密切相关而具有巨大的政治、军事及经济价值。先进高超声速风洞的研制与建设,必将对高超声速技术的突破、军事国防等领域的发展起到决定性的作用,其中蜂窝型蓄热体作为高超声速风洞蓄热式加热器的核心部件,是高超声速风洞蓄热式加热器系统设计成败的关键。目前,某高焓纯净风洞蓄热式加热器在投入使用后,对设备内部的蜂窝型蓄热体进行检查中,发现蜂窝型蓄热体出现大面积的损坏、开裂及粉化掉渣等情况,严重影响了高焓纯净风洞蓄热式加热器的使用寿命及高超声速风洞的试验精度。为了解实际服役工况下蜂窝型蓄热体产生开裂的原因,研究各参数对蜂窝型蓄热体热应力的影响规律,并寻求设计蜂窝型蓄热体的最优组合方案,本文的主要研究工作及结论如下: (1)首先,本文利用ANSYS workbench软件对高焓纯净风洞蓄热式加热器的蜂窝型蓄热体进行热力耦合的数值模拟,得出50 s试验过程中蓄热体迎风面、背风面及内部的瞬态温度场、瞬态热应力场,同时通过对比分析蓄热体实际损坏情况与仿真计算结果,得出了蓄热体在工况下损坏的原因。结果表明:蜂窝型蓄热体在50 s的服役工况过程中,在轴向上与径向上始终存在温度梯度的分布现象,承受着急剧的、强烈的温度变化,平均热应力及最大热应力均在不断的增大,30 s时刻的局部热应力最大值为43 MPa,已超过等静压石墨材料的抗拉强度极限。蜂窝型蓄热体的整体平均热应力不足以使蓄热体损坏开裂,蓄热体产生开裂的主要原因是由于局部温差过大,蓄热体内部存在因收缩和膨胀不一致产生局部热应力过大,进而产生裂纹; (2)其次,本文采用热力耦合的仿真分析方法,研究了不同孔型、孔阵列方式及入口速度大小对蜂窝型蓄热体的温差变化、热应力分布的影响规律,结果表明:直角和锐角容易引起蓄热体应力集中,孔阵列方式为正六边形的蓄热体热应力变化最不稳定;选用圆形的孔型能够有利于降低蓄热体温差大小,同时降低蓄热体热应力集中,采用圆形的孔阵列方式,不仅会使得蓄热体的温差、热应力值稳定且较低,而且对于工程应用上有易加工的优势;不同的入口速度,对蓄热体的温差变化、热应力分布情况造成显著影响,气体的流速越大,则蓄热体的温差变化速率越大,对蓄热体的热冲击就越强,导致蓄热体的局部热应力越大; (3)最后,本文利用正交试验法,以蜂窝型蓄热体的最大变形量为评价标准,对影响蜂窝型蓄热体抗热震性的关键参数进行了优化设计,利用极差分析法得出影响蜂窝型蓄热体热应力的指标程度大小,同时得到了最优的组合方案,并对其进行了仿真验证。结果表明:影响蜂窝型蓄热体热应力的指标程度大小排序为:孔型>入口速度>孔阵列方式,最优的组合方案为采用圆孔的孔型、蓄热体的孔阵列方式为圆形阵列、选择的入口速度为8 m/s,优化后的蓄热体在50 s试验时间的热力耦合仿真分析中,总体热应力值较均匀,最大热应力值仅为25 MPa左右,未超过蜂窝型蓄热体的材质等静压石墨的抗拉强度极限,证实了最优方案可行性与数值仿真方法的可靠性。

关键词：蜂窝型蓄热体热应力数值仿真高超声速技术蓄热式加热器

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一种两级串联蓄热式加热器及其使用方法

一种两级串联蓄热式加热器及其使用方法

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作者：陈久芬孙启志舒海峰许晓斌解福田蒋万秋侯峰伟何姝雨 621900 四川省绵阳市涪城区二环路南段6号15分箱

本发明属于高超声速风洞试验设备领域，公开了一种两级串联蓄热式加热器及其使用方法。本发明的两级串联蓄热式加热器包括顺序连接的一级加热器、二级加热器、连接管道和热气管道；一级加热器、二级加热器均为蓄热式加热器，可以互换共... 详细信息

标准号: CN115452306B

本发明属于高超声速风洞试验设备领域，公开了一种两级串联蓄热式加热器及其使用方法。本发明的两级串联蓄热式加热器包括顺序连接的一级加热器、二级加热器、连接管道和热气管道；一级加热器、二级加热器均为蓄热式加热器，可以互换共用；二级加热器的上端热气出口中心标高、热气管道中心标高与试验段热气入口中心标高一致；连接管道为π字型结构，包括从前至后顺序连接的弯头Ⅰ、水平段和弯头Ⅱ，弯头Ⅰ和弯头Ⅱ规格尺寸相同，可以互换共用。本发明的两级串联蓄热式加热器在使用时根据试验段入口热气流量和温度需求，分别设置一级加热器、二级加热器的运行参数；能够在满足气流加热需求的前提下提高加热效率，减少能量浪费。

关键词：蓄热式加热器二级加热器弯头一级加热器两级串联中心标高连接管道热气管道顺序连接互换风洞试验设备试验段入口从前至后高超声速加热效率气流加热热气出口热气流量热气入口温度需求运行参数试验段水平段上端

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一种电预热蓄热式加热器

一种电预热蓄热式加热器

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作者：赵旭飞郭佳伟易欢石运军 100074 北京市丰台区云岗西路17号32楼208、209、210、308、309、310房间

本发明公开了一种电预热蓄热式加热器，包括外筒体、多个隔热内筒体和蓄热片组件；隔热内筒体同轴设在外筒体内部；蓄热片组件设在相邻两个隔热内筒体之间，沿长度方向对称开设有两个通道，通道内均设有加热部，且两端分别连接两个支撑... 详细信息

标准号: CN114459153B

本发明公开了一种电预热蓄热式加热器，包括外筒体、多个隔热内筒体和蓄热片组件；隔热内筒体同轴设在外筒体内部；蓄热片组件设在相邻两个隔热内筒体之间，沿长度方向对称开设有两个通道，通道内均设有加热部，且两端分别连接两个支撑筒，均配合连接定位件；加热部与地面垂直，一侧定位件支撑蓄热片组件，另一侧定位件在竖直方向上存在缝隙；加热部与地面平行，定位件在竖直方向上支撑蓄热片组件，两个支撑筒在水平方向以及竖直向上与定位件之间存在缝隙，用于提供热胀空间。本发明提供的电预热蓄热式加热器，对蓄热片组件提供了承力定位以确保立式装配的便捷性，在卧式使用时，避免受热变形影响，保证蓄热片组件受力稳定性，便于安装及维护。

关键词：蓄热片定位件隔热内筒加热部蓄热式加热器支撑筒预热竖直受力稳定性外筒体内部便于安装地面垂直对称开设立式装配配合连接受热变形竖直向上卧式使用便捷性上支撑外筒体承力热胀同轴平行支撑保证维护

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用于超大型蓄热式加热器的内部元件支撑装置及安装方法

用于超大型蓄热式加热器的内部元件支撑装置及安装方法

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作者：陈久芬章起华黄国昌朱涛蒋万秋徐洋茆青 621900 四川省绵阳市涪城区二环路南段6号15分箱

本发明属于高超声速风洞试验设备领域，公开了一种用于超大型蓄热式加热器的内部元件支撑装置及安装方法。该内部元件支撑装置通过支撑环、中空支撑柱逐渐减小相邻内部元件之间的接触面积，从而大幅减小内部元件支撑装置的热传导面积，... 详细信息

标准号: CN115265248B

本发明属于高超声速风洞试验设备领域，公开了一种用于超大型蓄热式加热器的内部元件支撑装置及安装方法。该内部元件支撑装置通过支撑环、中空支撑柱逐渐减小相邻内部元件之间的接触面积，从而大幅减小内部元件支撑装置的热传导面积，减少热损失，不需要增加支撑柱长度和隔热层厚度即可确保蓄热式加热器的承压壳体使用安全；仅支撑柱与垫环、垫环与下封头两个连接处采用焊接装配，其余连接处均不采用焊接，进一步减小热传导率。该安装方法包括垫环与下封头组焊、支撑柱与垫环组焊、安装支撑环和安装支撑孔板。该内部元件支撑装置及安装方法能够适应2米量级大型高超声速风洞试验气流加热需求，具有工程实用性。

关键词：内部元件支撑装置垫环支撑柱蓄热式加热器安装支撑高超声速下封头减小组焊焊接风洞试验设备工程实用性中空支撑柱承压壳体风洞试验气流加热热传导率逐渐减小隔热层热传导热损失支撑环孔板装配

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一种用于大型高超声速风洞的超大型立式蓄热式加热器

一种用于大型高超声速风洞的超大型立式蓄热式加热器

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作者：陈久芬章起华朱涛许晓斌蒋万秋范孝华徐洋茆青 621900 四川省绵阳市涪城区二环路南段6号15分箱

本发明属于高超声速风洞试验设备领域，公开了一种用于大型高超声速风洞的超大型立式蓄热式加热器。主体为竖直放置的筒体；筒体的上段为半球体形的上封头，中段为等直段，下段为半球体形的下封头；筒体等直段的最上端套装安装支座实现... 详细信息

标准号: CN115264943B

本发明属于高超声速风洞试验设备领域，公开了一种用于大型高超声速风洞的超大型立式蓄热式加热器。主体为竖直放置的筒体；筒体的上段为半球体形的上封头，中段为等直段，下段为半球体形的下封头；筒体等直段的最上端套装安装支座实现竖直悬挂安装；筒体的内腔，下部设置有支撑柱，支撑柱上安装有支撑孔板，内壁面设置有复合保温层，复合保温层的内壁面安装有内衬筒；在内衬筒内腔、支撑孔板上堆叠若干个蓄热体；上封头的出口法兰与下进上出的角式热阀的竖直段密封连接，角式热阀的水平段出气口与喷管入口密封连接；上封头的球面上开有冷气掺混口；上封头的内衬筒为收缩锥，下封头的内衬筒为扩散锥。适用于2米量级大型高超声速风洞。

关键词：上封头筒体高超声速内衬筒复合保温层半球体形密封连接支撑孔板等直段内壁面下封头支撑柱风洞角式内腔热阀风洞试验设备蓄热式加热器安装支座出口法兰喷管入口竖直放置竖直悬挂出气口扩散锥收缩锥竖直段水平段蓄热体上端冷气掺混衬筒堆叠下段中段

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一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器

一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器

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作者：徐朝启邢自扬王宏元 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西路28号

本发明涉及高超声速地面试验领域，公开了一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，内壳体内设有蓄热体，蓄热体上设有若干加热通道和空气通道，若干加热棒对应装配在若干加热通道内，且止动片的空余处均封盖在若干加热通道上，使... 详细信息

标准号: CN116793632A

本发明涉及高超声速地面试验领域，公开了一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，内壳体内设有蓄热体，蓄热体上设有若干加热通道和空气通道，若干加热棒对应装配在若干加热通道内，且止动片的空余处均封盖在若干加热通道上，使得蓄热体在加热过程中温度分布均匀，在减小蓄热体内部热应力的同时增加了加热气体的温度均匀性，若干空气通道的一端与入口端盖的空气入口连通，另一端与出口端盖的空气出口连通，若干加热通道和空气通道均为独立通道，利用蓄热体对高温金属进行了封闭，加热过程中减小了气流与高温金属之间的接触，延长了加热器的使用寿命。通过接线柱伸入至壳体内与导线接触，采用了感应加热的方式，提升了加热器的工作效率。

关键词：加热通道蓄热体空气通道加热器高超声速高温金属加热过程减小连通体内蓄热温度分布均匀蓄热式加热器温度均匀性出口端盖纯净空气导线接触地面试验独立通道感应加热工作效率空气出口空气入口使用寿命加热棒接线柱空余处热应力入口端体内部止动片风洞封盖内壳伸入加热装配封闭

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一种电预热蓄热式加热器

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作者：赵旭飞郭佳伟易欢石运军 100074 北京市丰台区云岗西路17号32楼208、209、210、308、309、310房间

标准号: CN114459153A

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一种两级串联蓄热式加热器及其使用方法

一种两级串联蓄热式加热器及其使用方法

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作者：陈久芬孙启志舒海峰许晓斌解福田蒋万秋侯峰伟何姝雨 621900 四川省绵阳市涪城区二环路南段6号15分箱

标准号: CN115452306A

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一种用于超大型蓄热式加热器的支撑装置及安装方法

一种用于超大型蓄热式加热器的支撑装置及安装方法

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作者：陈久芬章起华黄国昌孙启志蒋万秋徐洋茆青 621900 四川省绵阳市涪城区二环路南段6号15分箱

本发明属于高超声速风洞试验设备领域，公开了一种用于超大型蓄热式加热器的支撑装置及安装方法。该支撑装置的安装基础为顶面开口、底面封闭的竖直放置的方形体，安装基础设置有中心空腔；安装支座固定在安装基础的顶面，立式蓄热式加... 详细信息

标准号: CN115264953B

本发明属于高超声速风洞试验设备领域，公开了一种用于超大型蓄热式加热器的支撑装置及安装方法。该支撑装置的安装基础为顶面开口、底面封闭的竖直放置的方形体，安装基础设置有中心空腔；安装支座固定在安装基础的顶面，立式蓄热式加热器通过安装支座悬挂安装在安装基础的内腔中；气流流出立式蓄热式加热器后折转90°流入水平放置的喷管。该安装方法包括在立式蓄热式加热器的承压壳体上固定安装支座，在安装基础上加工支撑墩，预埋地脚螺栓，吊装、安装、调整立式蓄热式加热器，安装立式蓄热式加热器的蓄热体。该支撑装置及安装方法能够适应2米量级大型高超声速风洞试验气流加热需求，具有工程实用性。

关键词：蓄热式加热器安装基础支撑装置安装支座高超声速风洞试验设备预埋地脚螺栓工程实用性承压壳体顶面开口风洞试验气流加热竖直放置悬挂安装中心空腔喷管方形体内腔中蓄热体支撑墩底面顶面折转吊装流出封闭加工

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