本文關(guān)鍵詞：固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室工作特性研究

  更多相關(guān)文章： 固體燃料超燃沖壓發(fā)動機 數(shù)值模擬 流場特性 燃燒室性能 直連式試車臺

【摘要】：固體燃料超燃沖壓發(fā)動機以其結(jié)構(gòu)相對簡單、易于存儲、反應(yīng)迅即的天然優(yōu)勢，在高超聲速推進領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。固體超燃沖壓發(fā)動機一般由進氣道、隔離段、燃燒室和尾噴管等幾部分組成，其中燃燒室是提供推力的主動部件。由于在超聲速來流條件下工作，固體燃料超燃沖壓發(fā)動機中燃燒室工作過程是一個高速、非穩(wěn)態(tài)、湍流、固體燃料熱解與燃燒等復(fù)雜的物理化學(xué)過程。燃燒室的性能對超燃沖壓發(fā)動機研制的成敗起決定性作用，燃燒室性能的優(yōu)劣，最終決定了超燃沖壓發(fā)動機能否走向工程應(yīng)用。因此，研究固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室的工作特性并掌握其性能變化規(guī)律具有十分重要的意義。 為了研究固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室的工作性能及其變化規(guī)律，本文建立了固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室工作過程的物理數(shù)學(xué)模型。采用自定義函數(shù)方法定義固體燃料燃面退移速率，并針對固體燃料在超聲速來流下燃燒的特點，選用SST k-ω湍流模型對二維軸對稱可壓的Navier-Stokes方程進行封閉，燃燒模型采用聯(lián)合有限速率模型和渦耗散模型（Finite-Rate/Eddy-Dissipation）。運用該模型對經(jīng)典固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室進行了穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了燃燒室壁面壓力和固體燃料退移速率的對比，證明了該數(shù)學(xué)模型的合理性和準確性。通過分別改變?nèi)紵医Y(jié)構(gòu)參數(shù)和燃燒室入口氣流參數(shù)，對固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室的工作過程進行了穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬，并分析了各項參數(shù)對燃燒室性能的影響。為了進一步準確的研究超聲速流動下固體燃料燃面退移對燃燒室內(nèi)流動和性能的影響，對固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室工作過程進行準穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬。最后在搭建的完成的小型直連式固體燃料超燃沖壓發(fā)動機試車臺上成功進行了燃燒室點火實驗。 本文利用固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室工作過程的物理數(shù)學(xué)模型，分別對燃燒室火焰穩(wěn)定段/凹腔段、等直段和擴張段的結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒室工作性能的影響進行研究。首先，分析無化學(xué)反應(yīng)時在超聲速來流下固體燃料凹腔結(jié)構(gòu)對燃燒室流動的影響，研究發(fā)現(xiàn)有凹腔結(jié)構(gòu)的燃燒室中在凹腔內(nèi)形成了亞聲速回流區(qū)，凹腔在很大程度上加強燃料與來流氣體的摻混。雖然存在一個最佳的凹腔結(jié)構(gòu)使得摻混效率達到最大值，但凹腔的存在也會一定程度上增大總壓損失。接著，在有化學(xué)反應(yīng)條件下分析不同等直段和擴張段結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒室性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)在保證固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室處于非壅塞狀態(tài)的前提下，等直段長度占燃燒室總長的比例越大越好，增大等直段的長度要比增大擴張段長度對提升燃燒室各項性能有幫助。粗長等直段的燃燒室比細短等直段的燃燒室有更大的做功潛力。在沒有固定噴管時，擴張段擴張比的選取應(yīng)盡量使得氣流得到完全膨脹。 在不同入口氣流參數(shù)對燃燒室性能影響的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著入口空氣質(zhì)量流量的增大，燃燒室內(nèi)壓強增大，燃料退移速率增大。燃燒室燃燒效率減小，總壓損失有所減小的，燃燒室推力和比沖均增大。對于入口空氣總溫變化時，燃燒室性能的改變與入口空氣質(zhì)量流量變化時情況相似。隨著入口空氣總壓的增大，燃燒室內(nèi)壓強增大，燃料退移速率略微增大基本保持不變，燃燒室燃燒效率增大，總壓損失顯著增大，燃燒室推力和比沖均減小。根據(jù)入口參數(shù)及燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對燃燒室性能影響的敏感度分析可知，對燃燒效率影響較大的因素是入口空氣總溫及等直段直徑，對總壓損失影響最大的因素是入口空氣質(zhì)量流量、入口空氣總壓、等直段直徑及擴張段長度。 本文進行了固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室工作過程的準穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，，研究發(fā)現(xiàn)燃燒室工作的初始時刻燃燒室處于壅塞狀態(tài)，燃燒室工作的中后期，流場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，主流區(qū)存在激波串，燃燒室內(nèi)流動復(fù)雜。燃燒室工作過程中燃燒效率逐漸增大，待燃燒流場穩(wěn)定后，燃燒效率基本穩(wěn)定在80%左右。沿燃燒室壁面壓力以及沿中心軸線上壓力均隨時間的變化而減小，燃面退移速率也隨時間而逐漸減小。燃燒室推力和比沖隨時間而逐漸減小。 最后，在近期搭建完成的小型直連式固體燃料超燃沖壓發(fā)動機試車臺上成功完成了燃燒室的點火實驗。
【關(guān)鍵詞】：固體燃料超燃沖壓發(fā)動機 數(shù)值模擬 流場特性 燃燒室性能 直連式試車臺
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V435
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目錄9-13
• 圖目錄13-17
• 表目錄17-19
• 主要符號表19-21
• 第1章 緒論21-37
• 1.1 研究目的和意義21-24
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢24-34
• 1.2.1 超燃沖壓發(fā)動機發(fā)展概況24-26
• 1.2.2 固體燃料超燃沖壓發(fā)動機的實驗研究26-28
• 1.2.3 固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室的理論研究28-30
• 1.2.4 固體燃料超燃沖壓發(fā)動機推進劑的研究30-31
• 1.2.5 固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室研究的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢31-34
• 1.2.6 固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室工作特性研究現(xiàn)狀34
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容34-35
• 1.4 論文章節(jié)和結(jié)構(gòu)安排35-37
• 第2章 固體燃料超燃沖壓發(fā)動機工作過程物理數(shù)學(xué)模型及算例驗證37-58
• 2.1 引言37-38
• 2.2 物理模型38
• 2.3 控制方程和基本假設(shè)38-42
• 2.4 湍流模型42-45
• 2.5 固體燃料燃速退移模型45-47
• 2.5.1 固體燃料熱解及化學(xué)反應(yīng)模型45-46
• 2.5.2 固體燃料的燃料退移速率模型46-47
• 2.6 湍流燃燒模型47-48
• 2.7 控制方程的數(shù)值模型及求解方法48-50
• 2.7.1 離散方法49-50
• 2.7.2 離散格式50
• 2.7.3 求解方法50
• 2.8 算例驗證50-57
• 2.8.1 無化學(xué)反應(yīng)時超聲速下流動的驗證50-53
• 2.8.2 有化學(xué)反應(yīng)時固體燃料超聲速燃燒室的算例驗證53-57
• 2.9 小結(jié)57-58
• 第3章 無化學(xué)反應(yīng)時超聲速來流下固體燃料凹腔結(jié)構(gòu)對流動的影響58-71
• 3.1 引言58-59
• 3.2 數(shù)值計算條件59-61
• 3.2.1 物理模型59
• 3.2.2 數(shù)值計算方法及邊界條件59-60
• 3.2.3 燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)匯總60-61
• 3.3 計算結(jié)果分析61-70
• 3.3.1 有無凹腔結(jié)構(gòu)的燃燒室內(nèi)流場特性分析61-65
• 3.3.2 不同深度凹腔的燃燒室內(nèi)流場特性分析65-67
• 3.3.3 不同凹腔尺寸對燃燒室內(nèi)摻混效率的影響67-68
• 3.3.4 不同凹腔尺寸對燃燒室總壓損失的影響68-70
• 3.4 小結(jié)70-71
• 第4章 不同結(jié)構(gòu)尺寸固體燃料超聲速燃燒室性能研究71-98
• 4.1 引言71
• 4.2 數(shù)值計算條件71-74
• 4.2.1 物理模型71-72
• 4.2.2 數(shù)值計算方法及邊界條件72-73
• 4.2.3 燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)匯總73-74
• 4.3 等直段直徑對固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室性能的影響74-84
• 4.3.1 燃燒室流動分布74-78
• 4.3.2 燃燒室組份分布及燃燒效率78-81
• 4.3.3 燃燒室總壓損失81-82
• 4.3.4 燃燒室推力及比沖82-84
• 4.4 等直段長度對固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室性能的影響84-89
• 4.4.1 燃燒室流動分布84-87
• 4.4.2 燃燒室燃燒效率分析87-88
• 4.4.3 燃燒室總壓損失分析88
• 4.4.4 燃燒室推力及比沖88-89
• 4.5 擴張段對固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室性能的影響89-92
• 4.5.1 燃燒室燃速分析91
• 4.5.2 燃燒室性能分析91-92
• 4.6 燃燒室結(jié)構(gòu)的設(shè)計準則92-97
• 4.6.1 等直段的影響分析92-95
• 4.6.2 燃燒效率與總壓損失的權(quán)衡95-96
• 4.6.3 燃燒室設(shè)計準則96-97
• 4.7 小結(jié)97-98
• 第5章 入口參數(shù)對固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室性能的影響98-117
• 5.1 引言98
• 5.2 數(shù)值計算條件98-99
• 5.2.1 物理模型98
• 5.2.2 數(shù)值計算方法及邊界條件98-99
• 5.3 計算結(jié)果分析99-112
• 5.3.1 入口空氣質(zhì)量流量的影響99-104
• 5.3.2 入口空氣總溫的影響104-108
• 5.3.3 入口空氣總壓的影響108-112
• 5.4 燃燒效率和總壓損失的影響因素112-115
• 5.4.1 燃燒室入口參數(shù)的敏感度分析112-114
• 5.4.2 燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的敏感度分析114-115
• 5.5 小結(jié)115-117
• 第6章 固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室流場準穩(wěn)態(tài)模擬與初步實驗117-140
• 6.1 引言117-118
• 6.2 模型和計算條件118-120
• 6.2.1 物理模型118
• 6.2.2 平行層燃燒規(guī)律118-120
• 6.2.3 數(shù)值計算方法及邊界條件120
• 6.3 固體燃料超燃沖壓發(fā)動機燃燒室流場準穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果分析120-132
• 6.3.1 燃燒室流動分布120-125
• 6.3.2 燃燒室壁面壓力125-127
• 6.3.3 固體燃料燃面退移速率127-129
• 6.3.4 燃燒室燃燒效率129-131
• 6.3.5 燃燒室總壓損失131-132
• 6.3.6 燃燒室推力及比沖132
• 6.4 直連式實驗系統(tǒng)132-138
• 6.4.1 空氣加熱器133-134
• 6.4.2 氣體及冷卻水供應(yīng)系統(tǒng)134-135
• 6.4.3 控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)135
• 6.4.4 燃燒室點火實驗135-138
• 6.5 小結(jié)138-140
• 第7章 結(jié)論140-145
• 7.1 本文研究總結(jié)140-143
• 7.2 本文創(chuàng)新點143
• 7.3 進一步工作展望143-145
• 參考文獻145-153
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單153-154
• 致謝154-155
• 作者簡介155

【參考文獻】

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2 劉巍;固體燃料沖壓發(fā)動機燃燒組織技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

本文編號：869314