面向控制的超燃冲压发动机一维建模研究

论文摘要

超燃冲压发动机是马赫数6以上高超声速飞行的优选动力。和常规的航空发动机相比,超燃冲压发动机是一个极其复杂的热力学系统。发动机控制系统成为发动机性能保障运行成败的关键因素,而面向控制的超燃冲压发动机模型需求应运而生。本文围绕面向控制的超燃冲压发动机一维模型开展了具体的工作。首先通过对超燃冲压发动机及其控制建模的发展历程的简单回顾,得出了超燃冲压发动机控制的重要性和特殊性。详细分析了超燃冲压发动机的工作特性,发现其控制的特殊性在于其存在分布参数特性。从控制系统设计对模型的需求出发,提出了建立面向控制的超燃冲压发动机一维模型的必要,阐明了本文研究工作的动机。其次,详细的分析了超燃冲压发动机进气道和燃烧室流场的工作特性和流动机理,按此将发动机流道划分为范诺流动段、激波压缩段、燃烧分离段和分离附合段四部分,并分析了每个工作段的主导物理效应,为后续一维模型研究打下基础。然后,给出了影响超燃冲压发动机燃烧室性能的主导物理效应的建模方法,进而建立了超燃冲压发动机燃烧室的一维模型。该模型能够反映发动机燃烧室超燃无激波、超燃斜激波和亚燃三种燃烧模态,还能反映各种燃烧模态之间的转换边界。最后在超燃冲压发动机一维模型的基础上,对发动机分布参数控制的进行了仿真研究,分析了来流条件、燃料注入位置和燃料分配比例对发动机性能的影响,给出了开环状态下发动机等推力和进气道等安全裕度的控制规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 超燃冲压发动机控制的发展概况
• 1.3 超燃冲压发动机分布参数特性分析
• 1.4 超燃冲压发动机模型研究发展概况
• 1.5 超燃冲压发动机一维模型需求分析
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 超燃冲压发动机工作机理及特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 超声速进气道工作机理及特性分析
• 2.3 超燃冲压发动机燃烧场机理分析
• 2.3.1 无分离超声速燃烧场流动机理分析
• 2.3.2 有分离超声速燃烧场流动机理分析
• 2.3.3 热阻塞亚声速燃烧场流动机理分析
• 2.4 超燃冲压发动机燃烧室工作段特性分析
• 2.4.1 范诺流动段工作特性及其主导效应
• 2.4.2 激波压缩段工作特性及其主导效应
• 2.4.3 燃烧分离段工作特性及其主导效应
• 2.4.4 分离附合段工作特性及其主导效应
• 2.5 本章小结
• 第3章 超燃冲压发动机燃烧室一维模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 一维流动分析基本方程组
• 3.2.1 基本守恒方程组
• 3.2.2 释热规律
• 3.2.3 壁面摩擦
• 3.3 超燃冲压发动机模态建模
• 3.3.1 燃烧模态转换边界分析
• 3.3.2 超燃无激波模态建模
• 3.3.3 超燃斜激波模态建模
• 3.3.4 亚燃模态建模
• 3.4 本章小结
• 第4章 超燃冲压发动机分布参数控制仿真研究
• 4.1 引言
• 4.2 多点燃料注入时的特殊建模问题分析及解决
• 4.2.1 多点燃料注入时释热规律的建模
• 4.2.2 多点燃料注入时燃烧室/隔离段相互作用的建模
• 4.3 不同来流条件对发动机性能的影响
• 4.3.1 来流马赫数对发动机性能的影响
• 4.4 不同燃料注入位置对发动机性能的影响
• 4.5 不同燃料分配比对发动机性能的影响
• 4.6 分布参数开环控制规律仿真研究
• 4.6.1 等推力控制规律分析
• 4.6.2 进气道等安全裕度控制规律分析
• 4.7 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢