渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)(TBCC)以其單位推力大、飛行包線(xiàn)寬和可重復(fù)使用等優(yōu)勢(shì),成為當(dāng)前最有發(fā)展前途的高超聲速動(dòng)力裝置之一,多模態(tài)燃燒室作為其主要部件,面臨工作范圍寬、流動(dòng)狀態(tài)變化大、點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定困難等特點(diǎn)。本文針對(duì)多模態(tài)燃燒室寬范圍工作條件,通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究的方法,開(kāi)展基于外凹腔穩(wěn)定器的點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定技術(shù)研究,主要工作包括:數(shù)值模擬研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)外凹腔穩(wěn)定器和外凹腔+徑向槽穩(wěn)定器在不同來(lái)流參數(shù)下的流動(dòng)特性。流場(chǎng)結(jié)果表明,外凹腔穩(wěn)定器內(nèi)回流區(qū)尺寸隨長(zhǎng)深比增加而增大,而后緣角變化對(duì)回流區(qū)影響較小;凹腔質(zhì)量交換率隨長(zhǎng)深比增加而增加,隨后緣角和來(lái)流速度增加而減小。對(duì)于外凹腔+徑向槽穩(wěn)定器,在徑向槽中心截面位置處凹腔內(nèi)的回流區(qū)隨徑向槽后緣與凹腔前緣的軸向間距S減小而減小,渦心則隨S減小而向凹腔外移動(dòng),當(dāng)間距小于0時(shí),凹腔內(nèi)回流區(qū)消失。凹腔的質(zhì)量交換率隨間距S增大而減小,隨后掠角度增大而增大,而來(lái)流參數(shù)對(duì)質(zhì)量交換律影響較小。在V=50m/s來(lái)流條件下,對(duì)D=15mm,L/D=5,θ=30°結(jié)構(gòu)外凹腔穩(wěn)定器進(jìn)行了PIV流場(chǎng)測(cè)試。結(jié)果表明凹腔內(nèi)存在軸向回流區(qū),且該回流區(qū)的渦心位于凹腔中心偏前的位置,凹腔的質(zhì)量交換律為1.997%,回流量為0.920%。對(duì)S=0mm,β=20°結(jié)構(gòu)凹腔+徑向槽穩(wěn)定器的流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明,此時(shí)外凹腔內(nèi)回流區(qū)已消失,在徑向槽中心截面上氣流從凹腔沿徑向槽后壁向軸心流動(dòng)。試驗(yàn)測(cè)量了外凹腔穩(wěn)定器和凹腔+徑向槽穩(wěn)定器的總壓特性,試驗(yàn)結(jié)果表明凹腔穩(wěn)定器的總壓恢復(fù)系數(shù)隨來(lái)流速度增加而降低,結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其影響較小;凹腔+徑向槽穩(wěn)定器的總壓恢復(fù)系數(shù)隨來(lái)流速度增加而降低,隨間距S增大而增大。開(kāi)展了不同結(jié)構(gòu)穩(wěn)定器在不同來(lái)流條件下(V=50~150m/s,T=600~900K)的點(diǎn)熄火性能試驗(yàn)。外凹腔穩(wěn)定器試驗(yàn)結(jié)果表明,來(lái)流速度增加,對(duì)于L/D=5和7結(jié)構(gòu),點(diǎn)火當(dāng)量比下降,對(duì)于L/D=3結(jié)構(gòu),點(diǎn)火當(dāng)量比先減小后趨平。在低速下(V≤100 m/s),點(diǎn)熄火當(dāng)量比隨來(lái)流溫度和長(zhǎng)深比增加而增加,L/D=3的凹腔點(diǎn)熄火當(dāng)量最低,L/D=5的凹腔在高速下(V=150 m/s)點(diǎn)熄火范圍最寬。而在低速下(V≤100 m/s)后緣角增大,點(diǎn)熄火當(dāng)量比減小,θ=90°的凹腔點(diǎn)熄火當(dāng)量比較低,在高速下(V=150 m/s)則是θ=30°的凹腔點(diǎn)熄火范圍最寬。凹腔+徑向槽穩(wěn)定器實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明S=10mm、β=20°結(jié)構(gòu)在所有來(lái)流條件下都點(diǎn)火成功,點(diǎn)火當(dāng)量比隨速度增加而減小,隨溫度增加而增加;增大徑向槽后掠角和減小間距S不利于在高速和低溫工況下點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定,增大S則不利于火焰?zhèn)鞑ァ；诎记?徑向槽穩(wěn)定器的研究成果,設(shè)計(jì)了凹腔+徑向槽多模態(tài)燃燒室結(jié)構(gòu)方案,并對(duì)多模態(tài)燃燒室在典型工況下的流動(dòng)特性、油霧分布、燃燒特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的燃燒室方案在各工況下凹腔內(nèi)均形成低速回流區(qū),并在徑向槽中心截面形成了從凹腔沿徑向槽后壁燃燒室軸心方向的流動(dòng),形成利于傳焰的流動(dòng)條件。濃度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明,不同工況下凹腔內(nèi)油霧濃度在0.05,在徑向槽下游存在局部富油區(qū)和貧油區(qū);溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明,在各工況下均點(diǎn)火成功,凹腔內(nèi)著火后沿著徑向槽向燃燒室軸心方向傳播,在徑向槽下游220mm連焰成功。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：V231.2
【部分圖文】：

第一章 緒論究背景動(dòng)力發(fā)展的目標(biāo)和方向是要求動(dòng)力裝置可以在更寬廣的高度和速度、航程長(zhǎng)、可重復(fù)利用[1]。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能良好，但是在高度超過(guò)赫數(shù)情況下性能變差。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在高馬赫數(shù)下有良好的性能，但為止，對(duì)于要求高度 0-40km，飛行馬赫數(shù)從亞音速、跨聲速到超音種發(fā)動(dòng)機(jī)能獨(dú)立完成其整個(gè)飛行包線(xiàn)內(nèi)的推進(jìn)任務(wù)[2]。圖 1.1 是各種變化。TBCC（Turbine Based Combined Cycle）渦輪基組合發(fā)動(dòng)機(jī)[機(jī)的工作循環(huán)組合在一起，使飛行器在亞聲速、超聲速、高超聲速。TBCC 發(fā)動(dòng)機(jī)單位推力大，耐久度高，使用常規(guī)飛行器所用燃油比如巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)、隱形轟炸機(jī)等的動(dòng)力裝置。使用此動(dòng)力裝著陸，使用現(xiàn)有的機(jī)場(chǎng)和維護(hù)基地等設(shè)施，從而大大減少經(jīng)費(fèi)，性展前途的高超聲動(dòng)力裝置之一[4]。

圖 1.2 串聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)的 TBCC 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程按順序分為三個(gè)，渦輪加速過(guò)程，模態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程和沖]。起飛時(shí)，速度低，此時(shí)多模態(tài)燃燒室是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒室；隨著飛行高步提升，發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式由渦輪模態(tài)向沖壓模態(tài)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程要求燃燒室穩(wěn)定推力，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡；當(dāng)速度進(jìn)一步提升，大多數(shù)氣流從旁路進(jìn)入超級(jí)燃燒室相當(dāng)于沖壓燃燒室。發(fā)動(dòng)機(jī)工作模態(tài)設(shè)計(jì)為在 Ma<2.5 的情況下處于渦輪工作a<3 的情況屬于渦輪沖壓共同工作狀態(tài)，Ma>3 的情況處于沖壓工作模態(tài)[7]。圖1.3為理。

圖 1.2 串聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)的 TBCC 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程按順序分為三個(gè)，渦輪加速過(guò)程，模態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程和起飛時(shí)，速度低，此時(shí)多模態(tài)燃燒室是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒室；隨著飛行提升，發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式由渦輪模態(tài)向沖壓模態(tài)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程要求燃燒室穩(wěn)力，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡；當(dāng)速度進(jìn)一步提升，大多數(shù)氣流從旁路進(jìn)入超級(jí)燃燒當(dāng)于沖壓燃燒室。發(fā)動(dòng)機(jī)工作模態(tài)設(shè)計(jì)為在 Ma<2.5 的情況下處于渦輪工3 的情況屬于渦輪沖壓共同工作狀態(tài)，Ma>3 的情況處于沖壓工作模態(tài)[7]。圖1.3。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2820361