高超声速燃烧室壁面热流辨识方法研究

论文摘要

超声速燃烧室作为超燃冲压发动机的主要动力来源,是影响超燃冲压发动机性能的关键部件之一。预测发动机的热环境对发动机结构设计、冷却系统设计以及发动机性能预测具有重要意义,而热流密度是体现热环境的重要指标。但由于其内部极端热物理条件,导致内壁面热流极难测量,为了实现对热流密度的精确认识,本文提出了一种基于外壁面温度计算热流密度的方法。首先,针对超声速燃烧室的内壁面建立一维和二维的热流计算模型。燃烧室壁面温度的变化和发动机的工作过程紧密相关,在短时间工作过程中,壁面导热处于非稳态状况。根据非稳态导热特性,建立了壁面导热的控制方程,采用第二类边界条件,通过公式推导,建立了燃烧室内部的热流密度和内外壁面温度的关系式。在控制方程的基础上,建立仿真模型,能够精确计算给定热流密度情况下壁面的非稳态导热过程。热流辨识结果表明,通过外壁温推导内壁面热流密度的计算方法具有较高的精确性。其次,建立高超声速燃烧室热流密度计算仿真平台。基于不同工况下测量得到的超燃冲压发动机的外壁面温度,通过一维和二维的热流计算模型,计算出了燃烧室内部热流密度分布。通过热流分布推断出超声速燃烧室的燃烧区域的位于超声速燃烧室的后两段,并且处于中间位置。最后,在以上热流辨识应用于热流密度计算的基础上,针对以高焓气流发生器为加热源模拟超燃冲压发动机内环境,建立了热防护系统测试试验台。通过实验测量的外壁面温度,计算出高焓气流发生器的加热能力。结果表明,其热流密度水平和超燃冲压发动机燃烧室内部热流密度水平相当,说明可以用高焓气流发生器来模拟燃烧室的热环境,进行热防护系统的设计,简化实验过程,从而节省实验成本。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 超声速燃烧室壁面热流测量的意义
• 1.3 国内外研究现状综述
• 1.3.1 超燃冲压发动机的研究现状
• 1.3.2 热流测量技术的研究现状
• 1.4 课题研究主要内容
• 第2章 超声速燃烧室壁面热流辨识模型
• 2.1 引言
• 2.2 热流辨识的介绍
• 2.3 物理及数学模型的建立
• 2.3.1 物理模型的描述
• 2.3.2 数学模型的描述
• 2.4 热流计算的一维模型
• 2.4.1 热流计算的一维建模
• 2.4.2 热流计算一维模型的误差分析
• 2.5 热流计算的二维模型
• 2.5.1 热流计算的二维建模
• 2.5.2 热流计算的二维模型的误差分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 超声速燃烧室壁面热流辨识
• 3.1 引言
• 3.2 超燃冲压发动机工作原理及特性介绍
• 3.3 壁面热流测量方案介绍
• 3.4 不同工况下壁面温度测量结果分析
• 3.5 超声速燃烧室壁面热流计算结果分析
• 3.5.1 基于一维非稳态导热模型的壁面热流分析
• 3.5.2 基于二维非稳态导热模型的壁面热流分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 高焓气流发生器圆管加热实验热流辨识
• 4.1 引言
• 4.2 高焓气流发生器工作原理及特性分析
• 4.3 壁面热流测量方案
• 4.4 圆管非稳态热流计算结果
• 4.4.1 圆管壁面热流模型的导热控制方程
• 4.4.2 控制方程和边界条件的离散求解
• 4.4.3 圆管壁面热流模型建立及误差分析
• 4.4.4 基于圆管非稳态导热模型的壁面热流分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢