本文關(guān)鍵詞：固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：近年來,固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(SFRJ)備受世界各國關(guān)注,與其它發(fā)動(dòng)機(jī)相比,SFRJ具有比沖高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn),在超聲速導(dǎo)彈和增程炮彈方面具有廣闊應(yīng)用前景。本文以彈用SFRJ為應(yīng)用背景,以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent為工具,結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)等手段,對(duì)不同條件下SFRJ的工作狀態(tài)及其燃面退移速率進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究,為SFRJ的研制奠定理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本文主要工作如下。(1)在完成燃料通道內(nèi)流場流動(dòng)狀態(tài)分析的基礎(chǔ)上,基于焓平衡法,建立了內(nèi)孔燃燒SFRJ燃面退移速率的預(yù)示模型,并編寫了預(yù)示程序。模型中考慮了燃燒室入口直徑,燃料通道直徑,燃料長度,來流空氣質(zhì)量流率、總溫等因素對(duì)固體燃料燃面退移速率的影響。針對(duì)以聚乙烯(PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為燃料的SFRJ進(jìn)行了34個(gè)工況的計(jì)算,并與已有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,主要結(jié)論有：燃面退移速率的計(jì)算誤差在-14.4%13.5%之間,誤差絕對(duì)值的平均值為5.87%；在理論計(jì)算中首次發(fā)現(xiàn),工作過程中固體燃料內(nèi)腔體積隨時(shí)間呈線性關(guān)系,并給予了相應(yīng)的分析；在給定工況下的計(jì)算結(jié)果表明,SFRJ中燃面退移速率正比于燃料長度的-0.21次方。(2)利用用戶自定義函數(shù)(UDF)進(jìn)行二次開發(fā),在Fluent平臺(tái)上基于源項(xiàng)添加法,建立了SFRJ燃燒室準(zhǔn)定常流場數(shù)值模擬方法。對(duì)以PE為燃料的內(nèi)孔燃燒SFRJ在不同來流空氣質(zhì)量流率、總溫、燃燒室入口相對(duì)突擴(kuò)臺(tái)階高度、發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸及燃料長度條件下的燃燒室準(zhǔn)定常流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,主要結(jié)論有：隨著來流空氣質(zhì)量流率的增大,固體燃料的燃面退移速率不斷增大,補(bǔ)燃室內(nèi)空燃比及壓力增大、溫度降低,發(fā)動(dòng)機(jī)推力、比沖增大；隨著來流空氣總溫的升高,燃面退移速率不斷增大,補(bǔ)燃室溫度升高,壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)推力不斷增大,而發(fā)動(dòng)則機(jī)比沖減��；隨著相對(duì)突擴(kuò)臺(tái)階高度的不斷增大,燃面退移速率增加,補(bǔ)燃室溫度及壓力逐漸升高,化學(xué)反應(yīng)速率逐漸加快,發(fā)動(dòng)機(jī)的火焰穩(wěn)定性不斷提高；在保證空氣密流及總溫相同、幾何相似的條件下,隨著尺寸的減小,燃面退移速率增大,補(bǔ)燃室溫度及壓力升高,火焰穩(wěn)定性降低；在保證其它參數(shù)相同時(shí),增大燃料長度,并不改變?nèi)剂贤ǖ纼?nèi)相同軸向位置處的流場溫度、燃料的燃面退移速率及組分分布,而平均燃面退移速率減小,補(bǔ)燃室溫度、壓力升高。(3)提出了一種燃料外側(cè)面燃燒的SFRJ構(gòu)型,對(duì)燃面直徑分別為40mm、60mm的外側(cè)面燃燒PESFRJ燃燒室流場進(jìn)行了準(zhǔn)定常數(shù)值模擬研究,并與通氣面積相同的內(nèi)孔燃燒SFRJ燃燒室流場進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明：與內(nèi)孔燃燒相比,再附著點(diǎn)之前,外側(cè)面燃燒的燃料表面溫度及燃面退移速率上升較快,且數(shù)值較大；在Dp.0=40 mm的外側(cè)面燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)中,當(dāng)來流空氣總溫較低時(shí),隨著軸向位置的增大燃料下游段的燃面退移速率逐漸增大,此時(shí),來流空氣質(zhì)量流率越大,燃面退移速率開始增大的位置越靠前,而增大速率越��；本文所涉及的工況中,在再發(fā)展區(qū)內(nèi)的絕大部分區(qū)域內(nèi),外側(cè)面燃燒的燃面退移速率比內(nèi)孔燃燒的小很多,導(dǎo)致其平均燃面退移速也��；與內(nèi)孔燃燒相比,外側(cè)面燃燒SFRJ的推力較小,而比沖則相差不大。(4)建立了基于流固耦合、動(dòng)網(wǎng)格方法的SFRJ燃燒室流場非定常數(shù)值模擬方法,在Fluent平臺(tái)上通過使用UDF進(jìn)行二次開發(fā),分別對(duì)內(nèi)孔燃燒、外側(cè)面燃燒的SFRJ燃燒室流場進(jìn)行了流固耦合數(shù)值模擬,結(jié)果表明：工作過程中,內(nèi)孔燃燒的溫度場、壓力場及軸線上的軸向速度隨時(shí)間基本不變化；而外側(cè)面燃燒的補(bǔ)燃室溫度、壓力隨時(shí)間不斷減��；內(nèi)孔燃燒燃料通道的內(nèi)腔體積隨時(shí)間呈線性變化,瞬時(shí)燃面退移速率與該時(shí)刻當(dāng)量內(nèi)徑基本成反比；受換熱系數(shù)變化的影響,Dp,0=40mm外側(cè)面燃燒工況燃料下游段燃面退移速率沿軸向增大的幅度逐漸減小,甚至不再增大。(5)完成了以聚乙烯為燃料的內(nèi)孔、外側(cè)面燃燒SFRJ直連式實(shí)驗(yàn),對(duì)不同燃面直徑、來流空氣質(zhì)量流率、總溫、工作時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：外側(cè)面燃燒的火焰穩(wěn)定性能較差；在Dp,0=40mm的外側(cè)面燃燒的工況中,在燃料下游段燃面退移速率隨著軸向坐標(biāo)的增大而增大；隨著來流空氣質(zhì)量流率的增大,內(nèi)孔、外側(cè)面燃燒的平均燃面退移速率、補(bǔ)燃室壓力均增大,補(bǔ)燃室溫度均降低；隨著來流空氣總溫的升高,內(nèi)孔、外側(cè)面燃燒的平均燃面退移速率增大,補(bǔ)燃室溫度及壓力均升高；隨著工作時(shí)間增大,內(nèi)孔、外側(cè)面燃燒的平均燃面退移速率減小,但內(nèi)孔燃燒的單位時(shí)間平均燃料質(zhì)量流率基本不變；在內(nèi)孔燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作后,補(bǔ)燃室的壓力隨時(shí)間基本不變；理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符,再附著點(diǎn)位置準(zhǔn)確,平均燃面退移速率最大誤差為14.42%,補(bǔ)燃室溫度最大誤差為13.96%,補(bǔ)燃室靜壓最大誤差為6%,且各參數(shù)隨不同影響因素的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)相符。
【關(guān)鍵詞】：固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī) 內(nèi)孔燃燒 外側(cè)面燃燒 聚乙烯 燃面退移速率 直連式實(shí)驗(yàn)
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V435
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-20
• 1 緒論20-44
• 1.1 研究背景及意義20-22
• 1.2 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)22-42
• 1.2.1 彈用SFRJ的相關(guān)研制計(jì)劃22-25
• 1.2.2 SFRJ燃燒特性的數(shù)值模擬研究25-28
• 1.2.3 SFRJ的實(shí)驗(yàn)研究28-38
• 1.2.4 SFRJ燃燒效率、彈道及性能預(yù)示等理論研究38-40
• 1.2.5 固體燃料熱解特性的研究40-42
• 1.3 本文主要工作42-44
• 2 內(nèi)孔燃燒SFRJ燃面退移速率預(yù)示模型44-58
• 2.1 燃面退移速率預(yù)示模型44-49
• 2.2 PMMA和PE的熱解過程49-53
• 2.2.1 PMMA和PE的熱解產(chǎn)物49-51
• 2.2.2 PMMA和PE的汽化熱51-53
• 2.3 計(jì)算結(jié)果與分析53-57
• 2.3.1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比及燃料長度對(duì)平均燃面退移速率影響的計(jì)算53-54
• 2.3.2 燃料內(nèi)腔體積隨時(shí)間的變化規(guī)律54-57
• 2.4 本章小結(jié)57-58
• 3 內(nèi)孔燃燒SFRJ燃燒室準(zhǔn)定常流場的數(shù)值模擬58-86
• 3.1 基本假設(shè)58-59
• 3.2 固體燃料燃面退移速率模型與各組分物性估算59-61
• 3.2.1 固體燃料燃面退移速率模型59-60
• 3.2.2 各組分的物性估算60-61
• 3.3 物理模型與源項(xiàng)添加61-62
• 3.4 數(shù)值模型方法與驗(yàn)證62-64
• 3.5 數(shù)值模擬結(jié)果與分析64-83
• 3.5.1 來流空氣質(zhì)量流率的影響65-71
• 3.5.2 來流空氣總溫的影響71-74
• 3.5.3 相對(duì)突擴(kuò)臺(tái)階高度的影響74-76
• 3.5.4 尺寸縮放的影響76-80
• 3.5.5 燃料長度的影響80-83
• 3.6 本章小結(jié)83-86
• 4 外側(cè)面燃燒SFRJ燃燒室準(zhǔn)定常流場的數(shù)值模擬86-99
• 4.1 物理模型86-88
• 4.2 外側(cè)面燃燒與內(nèi)孔燃燒流場的差別88-92
• 4.3 來流空氣總溫的影響92-94
• 4.4 來流空氣質(zhì)量流率的影響94-97
• 4.5 殼體熱負(fù)荷的比較97
• 4.6 本章小結(jié)97-99
• 5 SFRJ燃燒室流場的非定常數(shù)值模擬99-116
• 5.1 數(shù)學(xué)物理模型、計(jì)算方法及驗(yàn)證99-103
• 5.1.1 數(shù)學(xué)物理模型99-100
• 5.1.2 動(dòng)網(wǎng)格方法100-101
• 5.1.3 流固耦合方法與驗(yàn)證101-103
• 5.2 內(nèi)孔燃燒的結(jié)果與分析103-109
• 5.3 外側(cè)面燃燒的結(jié)果與分析109-113
• 5.4 準(zhǔn)定常與非定常數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比113-115
• 5.5 本章小結(jié)115-116
• 6 聚乙烯在SFRJ中燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究116-143
• 6.1 SFRJ直連式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介116-119
• 6.1.1 供氣系統(tǒng)116-117
• 6.1.2 加熱系統(tǒng)117-118
• 6.1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量、控制系統(tǒng)118-119
• 6.2 SFRJ直連式實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)119-121
• 6.3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)概況121-123
• 6.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析123-137
• 6.4.1 內(nèi)孔燃燒實(shí)驗(yàn)123-129
• 6.4.2 第一種結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的外側(cè)面燃燒實(shí)驗(yàn)129-130
• 6.4.3 第二種結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的外側(cè)面燃燒130-135
• 6.4.4 平均燃面退移速率135-137
• 6.5 理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比137-141
• 6.6 本章小結(jié)141-143
• 7 結(jié)論與展望143-149
• 7.1 本文工作總結(jié)143-146
• 7.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)146-148
• 7.3 未來展望148-149
• 致謝149-150
• 參考文獻(xiàn)150-159
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及參加的科研項(xiàng)目159

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 郭健;張為華;夏智勛;;固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)飛行性能分析[J];國防科技大學(xué)學(xué)報(bào);2007年02期

2 劉巍;楊濤;程興華;李理;;固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部套管結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[J];固體火箭技術(shù);2010年02期

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本文編號(hào)：638883