双燃烧室冲压发动机超声速混合层数值模拟及非线性分析

论文摘要

本文针对双燃烧室冲压发动机超声速混合层进行了数值模拟和非线性分析。采用RANS方法对超声速燃烧室流场进行了二维数值仿真:在没有燃烧增强装置时,超燃室内燃烧较弱:有厚度隔板后缘底部可以稳定点火、增强气流掺混;对流马赫数小于0.5时,保持热空气马赫数不变,富油燃气马赫数越低,混合层增长越快;亚燃室出口燃气温度上升,燃烧效率显著增加;来流压力不匹配程度越大,混合层和激波作用后偏折越厉害;空气/燃气压力比增加,燃烧效率大大增加;模拟飞行马赫数降低,燃烧效率大大提高,同时总压损失也增大。首次采用大涡模拟（LES）方法对超燃室二维超声速混合层进行了数值模拟:弱燃烧强度时,燃烧对混合层形态有较小影响,而混合层形态完全主导着化学反应。隔板后缘厚度越大,气流夹角越大,混合层K-H不稳定阶段越短;扩张段扩张角越大,混合层在扩张段发展得越充分;小流道使大涡结构与上壁面作用而受到抑制。亚燃室出口气流马赫数变大,上下气流掺混加剧;下层气流/上层气流压力比增加,混合层增长大大加快。弱反射激波与大涡结构作用后,两者均产生很大变形,大涡增长受到抑制;强激波入射在混合层上,使当地混合层增长加快,但在下游位置拟序结构对平均流湍动能的吸收达到饱和,阻碍了混合层增长。初步研究了本文特定的超声速混合层的混合增强措施:低速流入口加入沿流向振荡对二维混合层的混合增强效果明显,加振荡后流场燃烧强度加大,但仍属于较弱燃烧强度;振荡频率决定着涡量聚集区域的位置和大小,振幅决定着涡量分配和聚集的均匀程度。对三维混合层流场,后缘为交错构型时其诱导的流向涡大大促进了混合层的增长。对不同交错后缘构型,楔块顶点间隔越大,楔角增大,流场混合层流向涡卷起得更大。分析较优隔板后缘扩展构型的三维燃烧流场,在空间区域,CO生成量在流向涡涡核处最多,随混合层发展,流向涡涡量向周围区域传递,CO生成量大大增加。对超声速混合层进行LES模拟,提取流场脉动压力进行非线性时间序列分析:利用混合层中心线上非线性不变量——关联维数D和最大Lyapunov指数的分布来分析混合层的发展情况及稳定性,并举例验证了可行性。首次将非线性时间序列分析方法应用于混合层混合效果的测量上,提出了实验测量混合层厚度的低成本方法,举例验证了纵向截面上关联维数分布与当地流向湍流强度分布一致的普遍性和定量分析混合效果的可行性。

论文目录

• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 双燃烧室冲压发动机技术综述
• 1.2.1 双燃烧室冲压发动机工作原理
• 1.2.2 双燃烧室冲压发动机技术研究进展
• 1.2.3 DCR为动力的高超声速飞行器主要技术
• 1.3 混合层国内外研究进展
• 1.3.1 混合层简述
• 1.3.2 混合层增长速率与大尺度结构
• 1.3.3 声学辐射（扰动波）与波系结构
• 1.3.4 数值仿真研究进展
• 1.3.5 国内研究现状
• 1.4 非线性动力学理论及其在湍流和混合层中的应用
• 1.4.1 非线性动力学理论概述
• 1.4.2 非线性动力学应用于湍流和混合层的现状
• 1.4.3 非线性理论应用于湍流和混合层的思考
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 数值仿真方法和基于时间序列的非线性动力学理论
• 2.1 数值仿真模型
• 2.1.1 燃烧流动控制方程
• 2.1.2 物理模型
• 2.1.3 计算方法
• 2.1.4 RANS方法验证算例
• 2.2 基于时间序列的非线性动力学分析理论
• 2.2.1 动力系统的相空间重构及重构参数的确定
• 2.2.2 非线性特征量的计算
• 2.2.3 应用实例
• 2.3 小结
• 第三章 双燃烧室冲压发动机超声速燃烧室数值仿真
• 3.1 超声速燃烧室冷流流场和燃烧流场结构
• 3.2 隔板形状参数对流场的影响
• 3.2.1 隔板后缘厚度的影响
• 3.2.2 隔板偏折的影响
• 3.3 工作参数对流场的影响
• 3.3.1 亚燃室出口燃气马赫数的影响
• 3.3.2 亚燃室出口燃气温度的影响
• 3.3.3 压力的影响
• 3.3.4 压力匹配程度的影响
• 3.4 不同模拟飞行马赫数下超燃室的性能
• 3.5 小结
• 第四章 非定常超声速混合层的大涡模拟
• 4.1 算例验证
• 4.1.1 冷流流场算例验证
• 4.1.2 燃烧流场算例验证
• 4.2 超声速燃烧室冷流和燃烧基本流场结构
• 4.3 形状参数对无反应超声速混合层的影响
• 4.3.1 隔板后缘厚度对无反应超声速混合层的影响
• 4.3.2 气流夹角对无反应超声速混合层的影响
• 4.3.3 扩张段扩张角对无反应超声速混合层的影响
• 4.4 工作参数对无反应超声速混合层的影响
• 2对无反应超声速混合层的影响'>4.4.1 Ma₂对无反应超声速混合层的影响
• 4.4.2 压力匹配程度对无反应超声速混合层的影响
• 4.5 强激波和混合层相互作用
• 4.5.1 强激波与无反应超声速混合层作用
• 4.5.2 强激波与有反应超声速混合层作用
• 4.6 小结
• 第五章 超声速混合层混合增强措施初探
• 5.1 低速流入口沿流向振荡对混合的影响
• 5.1.1 入口自然激励和加振荡的人工激励对无反应混合层的影响
• 5.1.2 加入沿流向振荡的有反应混合层演化情况
• 5.1.3 频率变化对无反应混合层增长的影响
• 5.1.4 幅值变化对无反应混合层增长的影响
• 5.2 三维隔板后缘构型对混合的影响
• 5.2.1 多种隔板后缘构型的三维流场结构
• 5.2.2 较优隔板后缘构型扩展构型的三维流场分析
• 5.3 小结
• 第六章 超声速混合层的非线性时间序列分析
• 6.1 单变量非线性时间序列方法的应用
• 6.1.1 混合层发展情况与不变量的关系
• 6.1.2 混合层混合效果与不变量的关系
• 6.2 超声速混合层发展情况分析
• 6.3 超声速混合层混合效果分析
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果