变截面隔离段流动特性研究

论文摘要

本文首先综合分析了高超声速飞行技术和超声速内流道中的伪激波现象,其中对隔离段中的激波串区域进行了重点阐述;在此基础之上,本文按照不同的截面变化规律,提出了两种由矩形进口转变为圆形出口的变截面隔离段:“边变化变截面隔离段”和“角变化变截面隔离段”。针对这两个隔离段内超声速流动的流动特性,本文利用数值模拟技术CFD进行了深入研究,并将其与等直圆形截面和矩形截面隔离段内流场进行了性能对比。在相同来流条件和不同进出口压比条件下,本文分析了隔离段内激波串区域流动特性、激波串起始位置、激波串长度、出口处流量平均参数以及隔离段出口流场流动均匀性等隔离段性能。结果表明:变截面隔离段内的流动特性相对于等截面隔离段具有较大改变,隔离段内流动分离区域的特性决定了变截面隔离段的整体性能。通过分析可以发现,边变化变截面隔离段的整体性能更接近于等直圆截面隔离段,其承受背压、内阻及流量平均参数特性均得到优化;而角变化变截面隔离段的性能较接近于等直矩形截面隔离段,虽然某些性能在一定程度上得到提高,但其承受反压的能力被削弱。利用数值模拟结果,本文通过对隔离段内当量直径和雷诺数指数的修正,得到了边变化变截面隔离段中激波串长度与压比之间的关系公式。最后,本文对带变截面隔离段的燃烧室进行了乙烯燃烧的数值模拟,并对燃烧室内的流动特性进行了分析研究,从而证明了变截面隔离段中气流横向流动对燃料混合作用的增强和对燃烧效率的提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 高超声速的概念及其特点
• 1.2 高超声速推进系统
• 1.2.1 超燃冲压发动机的研究背景
• 1.2.2 双模态亚燃/超燃冲压发动机
• 1.3 双模态亚燃/超燃冲压的隔离段
• 1.3.1 隔离段的作用和意义
• 1.3.2 隔离段的研究动态
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 隔离段内流场分析
• 2.1 管道内激波和附面层相互干扰
• 2.2 超声速内流的伪激波现象
• 2.3 伪激波中的激波串
• 2.4 本章小结
• 第3章 数值计算方法与算例验证
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 控制方程
• 3.2.2 湍流处理方法
• 3.2.3 壁面函数
• 3.2.4 边界条件
• 3.2.5 物理特性
• 3.3 数值计算格式及求解方法
• 3.3.1 空间离散Roe 格式
• 3.3.2 时间迭代Newton 线性化隐式格式
• 3.3.3 计算工况设定及收敛准则
• 3.4 网格生成
• 3.5 验证算例
• 3.5.1 圆截面隔离段算例验证
• 3.5.2 矩形截面隔离段算例验证
• 3.6 网格密度考察
• 3.7 本章小结
• 第4章 变截面隔离段流动的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 变截面隔离段和参考等截面隔离段的几何构型
• 4.2.1 边变化变截面隔离段
• 4.2.2 角变化变截面隔离段
• 4.2.3 等截面隔离段
• 4.3 计算网格
• 4.4 数值模拟边界条件设定
• 4.5 隔离段特性数值模拟结果与讨论
• 4.5.1 相同隔离段长度、相同背压条件下，隔离段流动特性研究
• 4.5.2 相同隔离段长度、不同背压条件下，隔离段流动特性研究
• 4.5.3 相同激波串起始位置和基准背压比条件下，隔离段流动特性研究
• 4.5.4 边变化变截面隔离段内激波串长度公式分析
• 4.5.5 本章小结
• 第5章 带变截面隔离段的燃烧室燃烧数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 数值模拟方法
• 5.2.1 计算方法
• 5.2.2 燃料和化学反应机制
• 5.2.3 燃烧模型
• 5.2.4 数值点火方式
• 5.2.5 验证算例
• 5.3 边变化变截面隔离段燃烧模拟算例
• 5.3.1 几何结构
• 5.3.2 边界条件设定
• 5.3.3 计算结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 未来研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文