【摘要】：超燃沖壓發(fā)動機作為高速飛行器的動力裝置,受到世界各國的廣泛關注和重視,其在軍事戰(zhàn)略和未來的空天飛行器領域有著重要的戰(zhàn)略意義。本文主要從數(shù)值仿真的角度研究超燃沖壓發(fā)動機的工作過程。其中主要涉及基于火焰面模型發(fā)展起來的燃燒模型和多尺度兩相流模型的改進與應用。(1)首先根據(jù)火焰面的基本思想,建立了考慮可壓縮修正的FGM模型,并生成了能夠考慮層流和湍流燃燒的火焰面數(shù)據(jù)庫,在此基礎上,分別對支板和凹腔結(jié)構(gòu)的超燃流場進行了數(shù)值模擬,驗證了該燃燒模型的可行性和適用性,計算結(jié)果表明,改進后的FGM模型可捕捉到火焰托舉現(xiàn)象,更適合于部分預混燃燒,發(fā)現(xiàn)凹腔內(nèi)的激波、邊界層和剪切層互相影響,將凹腔的高溫引到主流區(qū),可以促進燃燒。(2)針對超燃中液態(tài)燃料破碎和霧化的兩相問題,分別采用VOF模型、LPT方法和可壓縮修正的K-H/R-T二次破碎模型對超聲速條件下橫向射流霧化過程進行數(shù)值研究,發(fā)現(xiàn)VOF模型在噴注的近場區(qū)與試驗結(jié)果相吻合,但對稀疏相區(qū)的精度低,LPT方法與之相反,可壓縮修正的K-H/R-T模型得到的穿透深度、液滴直徑和液霧展向分布優(yōu)于原模型。(3)提出了將VOF模型與LPT方法相耦合的方法,模擬液態(tài)燃料噴注霧化過程的多尺度變化過程,并與水橫向射流實驗進行對比驗證,結(jié)果表明,本文提出的多尺度耦合算法,可以準確地捕捉射流初期的連續(xù)相和破碎過程中產(chǎn)生的離散相的分布,實現(xiàn)了用數(shù)值模擬的方法描述霧化的多尺度變化過程,此外發(fā)現(xiàn),增加射流的湍流度可以增加氣流界面表面波的不穩(wěn)定性,使小液滴更早地從液柱上剝離下來。(4)利用火焰面模型結(jié)合LPT算法,對超聲速條件下雙凹腔結(jié)構(gòu)和支板/凹腔組合結(jié)構(gòu)的煤油燃燒進行了數(shù)值模擬,驗證了火焰面模型在超聲速兩相燃燒中的適用性,發(fā)現(xiàn)霧化、蒸發(fā)引起的點火延遲降低了主燃區(qū)的燃燒釋熱;后掠形支板與下游的凹腔相配合,能增強火焰穩(wěn)定的效果;對于垂直布置的支板/凹腔組合構(gòu)型,隨著二者距離的增加,支板尾部的高溫回流與凹腔的耦合作用減弱,不利于形成穩(wěn)定的燃燒。通過本文的研究,表明了火焰面模型在超聲速兩相燃燒研究中、兩相耦合算法在霧化的多尺度問題中的可行性,為進一步研究超聲速條件下的兩相燃燒過程打下基礎。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V231.2
【圖文】：

飛行能力的動力裝置，早已受到世界各國的廣泛關注和重視。高超聲略上有著巨大的威懾力，同時也可用作為未來的空天飛行器，在國家展戰(zhàn)略中的潛力巨大。為了實現(xiàn)高超聲速飛行，目前，美國、俄羅斯本等國家分別提出了高超聲速推進技術方案，以超聲速燃燒沖壓發(fā)動發(fā)動機，Spersonic Combustion Ramjet, Scramjet）為主的組合式動力發(fā)并掌握超燃沖壓發(fā)動機的關鍵技術，是實現(xiàn)高超聲速飛行的必要前提戰(zhàn)略意義[1-7]。背景與意義沖壓發(fā)動機作為高超聲速飛行器的動力裝置，主要由進氣道、隔離段組成（見圖 1.1），其運動部件較少，結(jié)構(gòu)較渦噴、渦扇發(fā)動機相對簡可直接取自大氣，在燃燒室中實現(xiàn)亞聲速或超聲速燃燒（以下簡稱超飛行中擁有更好的比沖，成本也比其他推進方式低，具有廣闊的應用超燃沖壓發(fā)動機的關鍵技術，是實現(xiàn)高超聲速飛行的必要前提。

和 2005 年 9 月到 2013 年 5 月相繼進行的 X51A[9, 10]（圖1.2）四次試驗，具有較大影響，激發(fā)了世界各國對高超飛行器的興趣。除以上計劃外，還有與昆士蘭大學等機構(gòu)合作的 HyShot[11, 12]計劃，由美國空軍研究實驗室（Air ForceResearch Laboratory, AFRL）和澳大利亞國防科學技術部聯(lián)合管理，NASA、德國航空航天中心（DLR）、英國 BAE 公司等參加，并由美國波音公司和澳大利亞昆士蘭大學為主要承擔單位的高超聲速國際飛行研究試驗(Hypersonic International Flight ResearchExperimentation, HIFiRE)計劃[13]等。除美國外，俄羅斯 1987 年開展的冷（Kholod）項目實現(xiàn)了人類首次在飛行實驗中的雙模態(tài)轉(zhuǎn)換，但隨著蘇聯(lián)解體，在美國主導的新軍事變革沖擊以及本國經(jīng)濟的影響下，俄羅斯的高超聲速技術研發(fā)進入低潮[14]；法國從 1992年提出了國家高超聲速研究與技術計劃（PREPHA），并突破了氫燃料雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機關鍵技術[15]；德國借助其在空氣動力學上的傳統(tǒng)優(yōu)勢

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本文編號：2730105