發(fā)布時(shí)間：2020-04-18 10:16

【摘要】：由于點(diǎn)火延遲與流動(dòng)速率的不匹配,有效混合與高效燃燒的組織形式是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)利用激波與燃料作用形成流向渦結(jié)構(gòu),是實(shí)現(xiàn)高效混合燃燒的可行途徑。但激波壓縮效應(yīng)以及燃料密度梯度導(dǎo)致流場(chǎng)演化規(guī)律復(fù)雜,目前缺乏認(rèn)知流場(chǎng)演化對(duì)混合與燃燒的作用,故難以提出可服務(wù)于工程設(shè)計(jì)的激波界面作用理論。由于激波作用燃料的工程問(wèn)題可以抽象為二維非定常,激波與非勻質(zhì)燃料氣泡相互作用這一經(jīng)典的物理問(wèn)題,本文通過(guò)高精度數(shù)值模擬方法,分別研究了激波作用下的氣泡混合過(guò)程以及與可燃?xì)淙剂蠚馀葑饔玫娜紵^(guò)程。對(duì)于激波作用氣泡的混合增強(qiáng)問(wèn)題,本文基于自適應(yīng)拉格朗日渦結(jié)構(gòu)捕獲方法,獲取了不同激波強(qiáng)度作用下,氣泡與周?chē)鷼怏w的混合路徑。在混合生長(zhǎng)過(guò)程中,周?chē)鷼怏w通過(guò)混合路徑進(jìn)入氣泡并產(chǎn)生混合,其混合速率與主渦環(huán)量相關(guān)。在不同的激波馬赫數(shù)下,混合的演化過(guò)程均存在極限生長(zhǎng)現(xiàn)象。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)混合的極限生長(zhǎng)受到次級(jí)斜壓渦阻礙導(dǎo)致。根據(jù)斜壓阻礙機(jī)制提出了混合極限生長(zhǎng)的無(wú)量綱時(shí)間T~*_(baro),混合在T~*_(baro)≈2達(dá)到極限。對(duì)于激波作用氣泡的燃燒增強(qiáng)問(wèn)題同樣存在極限燃燒的現(xiàn)象,即存在一種“火墻”結(jié)構(gòu),阻礙了氣泡與空氣的進(jìn)一步混合及燃燒。通過(guò)定義燃燒效率發(fā)現(xiàn),氣泡演化后期燃燒效率極限只有63%。在建立流動(dòng)與燃燒耦合關(guān)系的無(wú)量綱Da數(shù)基礎(chǔ)上,鑒別出燃燒效率的三個(gè)生長(zhǎng)階段,每個(gè)生長(zhǎng)階段與流動(dòng)特征相關(guān)。在對(duì)最后一階段無(wú)法燒盡的氣泡進(jìn)行拉格朗日混合路徑回溯分析,發(fā)現(xiàn)在主渦中大部分無(wú)法燒盡的燃料聚集在氣泡的中心線,故而提出一種高效燃燒的流動(dòng)結(jié)構(gòu)形式來(lái)打破“火墻”結(jié)構(gòu)。相比于純氫氣泡,改進(jìn)構(gòu)型燃燒效率整體提高21%。進(jìn)一步分析可知,增加渦量和渦渦相互作用導(dǎo)致的增強(qiáng)混合是高效燃燒主要原因。
【圖文】：

高超聲速飛行器對(duì)于未來(lái)無(wú)論是商用還是軍用都具有其廣闊的前景。但從高超聲速飛行設(shè)想提出近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，高超飛行技術(shù)一直沒(méi)有得以突破。2004 年美國(guó)應(yīng)用X-43A（如圖1 1所示）先后進(jìn)行了馬赫數(shù) 6.8 和 9.6 的飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的可行性。但試驗(yàn)結(jié)果表明超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于 X-43A 這樣一個(gè)亞尺度飛行器產(chǎn)生的加速度是非常有限的。2013 年美國(guó) X-51A 吸熱碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)在第四次飛行試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了馬赫數(shù) 4.8 加速到馬赫數(shù) 5.1，但是還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到原定加速到飛行馬赫數(shù) 6 的目標(biāo)。眾多試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明目前超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是很難產(chǎn)生足夠凈推力。而這一問(wèn)題嚴(yán)重制約了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)通向?qū)嶋H應(yīng)用。圖 1 1 X43 高超聲速飛行器Fig 1 1 X43 hypersonic vehicle分析可知，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試飛失敗其中一個(gè)重要的關(guān)鍵因素即為，，由于高超聲速飛行器速度高，進(jìn)入超燃發(fā)動(dòng)機(jī)中流速非�？�，燃料在極短的時(shí)間內(nèi) (毫秒量級(jí)) 實(shí)現(xiàn)可靠點(diǎn)火并且高效燃燒變得十分困難。早在 1973 年，F(xiàn)erri[1]認(rèn)為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的科學(xué)本質(zhì)是由于燃料燃燒速率與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流的速率不匹配帶來(lái)的混合不充分，進(jìn)而引起燃燒的不充分。如果燃燒無(wú)法滿足釋放足夠熱量，則會(huì)導(dǎo)致無(wú)法形成有效的輸出功對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提供正推力。除此以外

[6]（Shock Bubble Interaction，簡(jiǎn)稱(chēng) SBI 問(wèn)題），類(lèi)比見(jiàn)圖1 3。類(lèi)似的，傳統(tǒng)支板燃料噴射等方式也存在激波與燃料相互作用形成的軸向渦量流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[7]。因此燃料和激波相互作用這種超聲速燃燒“流動(dòng)組織”中的典型流動(dòng)現(xiàn)象值得深入研究來(lái)服務(wù)于提高燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能。激波作用氣泡形成斜壓渦量的— 2 —
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：V235.21

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號(hào)：2631990