冲压发动机凹腔燃烧室试验研究与数值模拟

论文摘要

凹腔作为火焰稳定器具有结构简单、火焰稳定能力强的特点。本文以亚燃冲压发动机燃烧室火焰稳定技术和高效燃烧为出发点,开展了以凹腔作为火焰稳定器的亚燃燃烧室试验与数值模拟研究。论文首先对采用凹腔作为火焰稳定器的亚燃燃烧室进行了点火试验研究,考察了不同的凹腔结构、凹腔组合方式、煤油喷注方式下的燃烧室点火性能,分析了凹腔回流区大小、凹腔火焰周向和轴向火焰传播机制以及凹腔内燃油进入方式对凹腔点火性能的影响。结果表明,相比于周向容积,点火瞬间的凹腔有效储能大小更来源于轴向容积;点火的可靠进行依赖于凹腔内的轴向火焰传播机制;凹腔的可靠点火必须与凹腔前方壁面喷油匹配进行,使凹腔内维持合适的燃油浓度分布。在总结燃烧室性能评价指标的基础上,初步考查了凹腔结构参数对燃烧性能的影响。在高空试验台上对低压条件下的凹腔燃烧室进行了数次点火试验研究,对旁侧凹腔燃烧室在低压条件下点火所面临的困难有了初步认识。以数值模拟方法为研究手段,对常压试验条件下的直连式一体化燃烧室在点火前的流动特征和稳态燃烧流场进行了分析。研究结果显示,在所研究的试验条件下,点火前流场特征受多种因素制约,不同的流动特征将导致燃油浓度分布的差异,从而影响凹腔燃烧室的点火特性;氢气引导点火方式下需要合理组织氢气燃烧流场;凹腔内燃烧温度的高低决定了不同的凹腔工作模式,凹腔工作模式受喷油方式、喷油距离、雾化效果等因素影响;凹腔火焰稳定器呈边区组织燃烧的特点,火焰难以向中心主流扩展。针对旁侧凹腔结构的边区燃烧火焰难以扩展和低压下难以组织稳定燃烧的问题,进行了两方面的工作。一方面,在比较分析了中心组织燃烧和边区组织燃烧特点的基础上,借鉴驻涡燃烧室的概念,提出了中心体凹腔稳焰的燃烧室方案,对其进行了初步地仿真研究;另一方面,为克服低压下大筒径燃烧室火焰散布不均匀、点火困难的问题,综合前面的研究结果,进行了凹腔稳焰概念的扩展性研究,提出了组合凹腔燃烧室和被动式预燃凹腔燃烧室概念。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 冲压发动机概述
• 1.2.1 冲压发动机的应用与发展
• 1.2.2 冲压发动机燃烧室工作过程
• 1.2.3 冲压发动机发展的关键技术
• 1.3 基于不同稳焰概念的燃烧室设计
• 1.3.1 基于钝体障碍物稳焰的燃烧室方案
• 1.3.2 突扩与旁侧进气突扩燃烧室
• 1.3.3 旋流燃烧室
• 1.3.4 凹腔燃烧室与驻涡燃烧室
• 1.4 本文研究思路与内容
• 第二章 试验系统与数值计算方法
• 2.1 试验系统介绍
• 2.1.1 空气加热器
• 2.1.2 测量控制系统
• 2.1.3 推力测量系统
• 2.1.4 管路供应系统
• 2.1.5 燃气引射系统
• 2.1.6 点火系统
• 2.2 控制方程组
• 2.2.1 NS 方程组
• 2.2.2 气相控制方程
• 2.2.3 液相控制方程
• 2.3 基本物理模型
• 2.3.1 湍流模型
• 2.3.2 喷雾模型
• 2.3.3 蒸发模型
• 2.3.4 两相流模型
• 2.3.5 化学反应动力学模型
• 2.4 数值计算方法
• 2.4.1 网格生成
• 2.4.2 定解条件
• 2.5 本章小结
• 第三章 旁侧凹腔燃烧室试验研究
• 3.1 试验方法与试验件设计
• 3.1.1 加热器工况调试
• 3.1.2 试验步骤
• 3.1.3 试验件设计
• 3.2 点火试验研究
• 3.2.1 点火过程分析
• 3.2.2 点火方式对点火性能的影响
• 3.2.3 燃油喷注方案对点火的影响
• 3.2.4 凹腔大小对点火初期火焰发展的影响
• 3.2.5 火焰轴向与周向传播特性
• 3.2.6 低压下的点火初步试验研究
• 3.3 凹腔燃烧室性能分析
• 3.3.1 试验数据处理方法
• 3.3.2 凹腔结构对燃烧性能的影响分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 旁侧凹腔燃烧室数值研究
• 4.1 计算边界与网格划分
• 4.2 启动前冷态流场分析
• 4.2.1 头锥后流场特征
• 4.2.2 启动前煤油浓度分布特性
• 4.2.3 冷态流场结构影响因素分析
• 4.2.4 凹腔回流区形态特征
• 4.2.5 氢气引导点火时流场特征
• 4.3 凹腔燃烧室燃烧特性分析
• 4.3.1 头锥作用的校验
• 4.3.2 燃烧流场特征
• 4.3.3 雾化效果对燃烧的影响
• 4.3.4 喷油距离对凹腔燃烧流场的影响
• 4.3.5 喷油方式对燃烧的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 凹腔火焰的中心扩展问题研究
• 5.1 中心燃烧与边区燃烧方式的比较分析
• 5.1.1 燃烧室模型设计
• 5.1.2 燃烧流动结构对比分析
• 5.1.3 燃烧流动性能对比分析
• 5.1.4 熄火边界对比分析
• 5.2 中心体凹腔结构的仿真分析
• 5.2.1 中心体驻涡凹腔概念
• 5.2.2 流场特征
• 5.3 凹腔稳焰在低压、大筒径燃烧室的应用研究
• 5.3.1 基本燃烧室模型
• 5.3.2 中心燃烧与边区燃烧的组合应用
• 5.3.3 嵌入式凹腔预燃室
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的论文