【摘要】：為了滿足在寬來流馬赫數范圍內進行高性能飛行工作的要求,雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機需要在不同的來流馬赫數下采用不同的模態(tài)進行工作,因此雙模態(tài)沖壓發(fā)動機的燃燒模態(tài)選擇對其在寬馬赫數下高性能工作有重要影響。中心支板燃燒室相比于其他構型燃燒室有其獨特的燃燒組織方式,燃燒釋熱區(qū)存在于燃燒室通道中心,這導致在模態(tài)轉換過程中會產生獨特的流場特性,針對中心支板燃燒室所帶來的獨特的燃燒模態(tài)轉換特性進行研究是必要的。因此,本文為了研究中心支板燃燒室模態(tài)轉換過程,開展了如下幾方面的研究工作:針對雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中流動燃燒耦合作用會產生復雜的動態(tài)流場這一問題,開展了在燃燒釋熱和來流馬赫數變化條件下隔離段激波串演化過程研究。研究表明,與隔離段背壓線性增加條件相比,燃燒釋熱作用下的隔離段激波串運動特性有較大不同;在燃燒釋熱逐漸增加的過程中,流動與燃燒相互作用會導致壁面火焰向來流上游前傳的現象,這種燃燒火焰沿壁面前傳并熄滅的現象與燃燒區(qū)上游壁面回流區(qū)作用有關;根據燃燒流動作用下隔離段激波串的運動過程,可以將激波串的發(fā)展演化過程分為三個階段,這三個階段對應著不同的模態(tài)過程;通過考慮燃燒釋熱與來流馬赫數引起的激波串運動路徑變化,發(fā)現了隔離段激波模式對兩者的影響作用,且會導致激波串的遲滯現象,來流馬赫數通過改變激波模式,對激波串運動過程中的遲滯現象影響更大。對于在超聲速燃燒流動耦合作用下燃燒室模態(tài)轉換過程中發(fā)生的流場特性,開展了基于地面超聲速燃燒實驗的模態(tài)轉換過程分析研究。研究表明,隨著燃燒釋熱的增加,在模態(tài)轉換過程中燃燒室壁面的壓力發(fā)生了折轉突變現象,這種壓力折轉現象會導致燃燒室中推力的變化;在相似條件的數值模擬計算中,同樣獲得了相同的壓力折轉變化現象,通過流場結構分析及熱力學推導可以證明壓力折轉現象與隔離段中激波串發(fā)展過程中流量壅塞有關,由邊界層變化形成的熱力喉道及邊界層對燃燒室中芯流的作用會使壓力發(fā)生折轉變化。根據數值模擬獲得的流場結構,提出了基于隔離段流動壅塞的氣動模型,并通過模型對燃燒實驗壓升折轉突變現象的發(fā)生進行了預測。針對可以影響燃燒模態(tài)發(fā)生變化的因素,開展了來流馬赫數與燃燒室擴張比這兩種因素對燃燒模態(tài)轉換的影響研究。根據超聲速地面實驗與數值模擬獲得的結果表明,隔離段入口來流馬赫數與燃燒室面積比變化對燃燒室模態(tài)轉換有重要影響,來流馬赫數減小會導致燃燒釋熱更加集中,超聲速區(qū)逐漸減小,通過減小來流速度,減小了當地馬赫數,從而促使燃燒室從超燃模態(tài)轉換到亞燃模態(tài);燃燒室擴張比減小導致燃燒的釋熱空間減小,同樣會導致燃燒釋熱集中,且會使當地靜溫更高,從而通過提高當地聲速,導致燃燒室從超燃模態(tài)轉換到亞燃模態(tài)。基于對中心支板燃燒室模態(tài)轉換流場結構及流場特性研究,在燃燒壅塞和氣動壅塞兩種工作模式下,給出了中心支板燃燒室構型燃燒模態(tài)的定義及劃分方法,通過對燃燒模態(tài)轉換因素進行分析,提出了基于動量比、當量比和面積比三種無量綱量確定燃燒室工作狀態(tài)的方法,并根據地面實驗數據獲得了變量空間中的工作狀態(tài),給出了燃燒模態(tài)的邊界及燃燒模態(tài)邊界的度量方法。對不同影響因素下燃燒模態(tài)邊界的作用進行了分析和對比,結果指出燃燒室面積變化可以實現更寬范圍的燃燒模態(tài)邊界變化。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V231.2
【圖文】：

離打擊戰(zhàn)略目標，有效改變攻防作戰(zhàn)形式。而吸氣式高超帶氧化劑，具有大射程、速度快、突防能力強、殺傷威力點，是大氣層內進行高超聲速飛行的最佳動力；目前吸氣究已成為當今世界各軍事強國的發(fā)展目標，是近年來航空高點，有望成為最有前途的航空航天動力系統(tǒng)之一。超燃沖壓發(fā)動機作為吸氣式高超聲速飛行器動力裝置中，其除去了渦輪發(fā)動機中壓縮來流空氣的壓氣機，通過自生的激波對來流進行壓縮，提高燃燒室中的靜壓和靜溫在高來流馬赫數下葉片溫度過高對材料限制的問題，因此作在更高的來流馬赫數下[1-4]，特別是在來流馬赫數為 4比沖高于固體火箭發(fā)動機[5]，在 2000 公里到 6000 公里的置的高超聲速導彈有強大的突防能力，同時由于在大氣層行速度比渦輪發(fā)動機更快，所以雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機可級或單級入軌空天飛機的動力系統(tǒng)。圖 1-1 為不同動力飛范圍內的比沖性能。

燒釋熱增加了隔離段出口背壓，導致隔離段壁面有較大的邊層激波相互作用引起的激波串結構壓縮來流使得其進入燃燒態(tài)氣流，燃燒室處于亞聲速工作狀態(tài)，此時為亞燃模態(tài)，在燃導致熱力喉道出現，從而將燃燒室中亞音速來流轉換為超聲速于圖中 a 部分；隨著來流馬赫數的提高，來流總焓逐漸增大，來流所造成的高溫問題及強激波壓縮損失，需要使隔離段中的弱，壁面邊界層分離變小，進而減小激波串對來流的壓縮效果來流變?yōu)槌曀伲藭r為超燃模態(tài)，超燃模態(tài)下燃燒室中通過繼續(xù)加速超聲速來流，此時對應于圖中 b 部分；當來流馬赫數的總溫大大增加，隔離段中不存在激波壓縮作用，燃燒室完全中，對應于圖中 c 部分。以上的整個雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機燒室內來流與釋熱所導致的雙模態(tài)沖壓發(fā)動機流場的典型特性赫數的增加，為了實現更好的發(fā)動機性能（比沖和推力），需要流條件匹配不同的燃燒模態(tài)，多種燃燒模態(tài)與相應來流條件的模態(tài)沖壓發(fā)動機高效工作的前提條件。

楊慶春[10]和張巖[11]分別依據對模態(tài)的的定義劃分，也隨著對雙模態(tài)燃燒室不斷的認識和中由于只能獲得燃燒室沿程的壓力分布，且通過一快速且簡單，便于在工程中的應用，因此燃燒模態(tài)中所獲得的一維參數進行劃分。學分析方法[12,13]和對發(fā)動機進行一維建模的方法[宏觀工作狀態(tài)信息，并獲得發(fā)動機工作的總體性能r W H 和 Pratt D T[18]較早的提出了使用隔離段出口流速度作為燃燒模態(tài)的判定準則。當該橫截面上的工作在亞燃模態(tài)，此時在燃燒室下游會有一處熱力氣流被加速到超聲速，同時隔離段中由于燃燒室反面上的氣流速度為超聲速時，燃燒室工作在超燃模離段中可能產生斜激波或無激波形成，燃燒室中向上游傳播。這種分類方式簡單，但對于不同的燃速度很難確定，在實驗中很難通過數據進行測量和

【引證文獻】

相關博士學位論文 前1條

1 李楠;超燃沖壓發(fā)動機內激波串運動不穩(wěn)定及控制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2019年

本文編號：2773055