超燃冲压发动机燃烧室流场数值模拟

论文摘要

超燃冲压发动机技术是一项新型的、具有广阔发展前景的推进技术。本文针对发动机进口马赫数为超声速,对燃烧室中燃料混合燃烧流场进行数值模拟与研究。针对近似一维模型分析通过一维超声速程序对整个燃烧室流场参数变化规律进行模拟,此处的燃烧室包括隔离段、燃烧室、部分尾喷管。本文通过对等压+等马赫数+等静温模型计算,结果表示:燃烧室中总压损失很大,并随着进口马赫数的增加迅速增加。燃烧室隔离段中的分离附面层随着加热量的增加而向上游移动,最终可以被推入进气道甚至发动机进口。在本文中固定几何喉道的模型可以通过改变燃烧放热规律实现模态的转换。为了进一步研究流场特性,本文对燃烧室二维模型在冷态和燃烧态状态下分别进行了数值研究,同时单独研究了隔离段的特点和作用。在冷态时,首先比较各种数值计算方法的优越性,选择合适的算例进行分析研究。通过编写程序代码和Fluent软件分别计算研究了气体流动的特点及阻力、总压、温度等参数的变化规律,对于选择的模型有利于燃料的混合燃烧。结果表明:NND格式在模拟激波特性时效果较好,MUSCL格式在计算有粘性流或燃烧时效果较佳。凹腔结构较后台阶结构更能有效地增强燃料的混合燃烧。隔离段中明显存在着附面层分离现象,同时伴随着附面层产生的复杂激波串结构,此激波串能够缓冲燃烧产生的高反压对进气道的影响,并通过激波串的强弱来实现超燃和亚燃模态的转换,但是也应该注意,激波串如果被推离隔离段,将会引起发动机不启动。台阶结构能够有效地阻碍燃烧高反压向上游传播;冷态流场和燃烧态流场存在着很大的不同,凹腔结构燃烧室冷态流动时,存在着很强的激波效应,从而相应的总压损失高,阻力系数较大,但燃烧态时,由于燃烧的作用,凹腔结构中流速降低,激波效应很弱。本文对比分析了几种凹腔模型和凹腔中喷注燃料的方式,初步总结燃料燃烧的最佳稳焰效果。综合分析表明,超燃冲压发动机凹腔结构燃烧室可以实现燃料的混合燃烧,一维分析能够较直观地反映整个通道的参数变化规律。凹腔结构是稳焰的理想结构,对超声速燃烧具有非常深远的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 模态超燃冲压发动机研究发展综述
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究发展史
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 超声速燃烧的关键技术研究
• 1.2.1 超声速燃烧特点
• 1.2.2 燃料喷射技术
• 1.2.3 火焰传播特点
• 1.2.4 火焰稳定技术
• 1.2.5 燃料混合增强技术
• 1.2.6 凹腔的特性研究
• 1.3 深入研究的内在需要
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 数值计算理论与方法
• 2.1 理论基础
• 2.2 数值计算控制方程
• 2.2.1 一维模型参数变化规律
• 2.2.2 二维控制方程及变量关系
• 2.2.3 化学反应动力学模型
• 2.3 数值计算方法
• 2.3.1 一维模型计算方法
• 2.3.2 湍流和层流模型
• 2.3.3 网格生成
• 2.3.4 边界条件
• 2.3.5 二维控制方程计算方法
• 2.4 验证算例
• 2.4.1 针对单侧凹腔结构冷态流场算仿真
• 2.4.2 MUSCL 格式对粘性流场仿真结构分析
• 2.4.3 结论
• 2.5 小结
• 第三章 一维近似模型数值计算结果分析
• 3.1 近似物理模型
• 3.2 流场参数变化对性能和工况的影响分析
• 3.2.1 燃烧室入口马赫数Main 对面积扩张比和喷嘴位置的影响
• 3.2.2 对不同的加热规律进行计算，分析其参数变化规律
• 3.2.3 加热比τ和加热速率θ的影响
• 3.2.4 喷油位置xi 对燃烧性能的影响
• 3.3 小结
• 第四章 二维超燃冲压发动机隔离段特性研究
• 4.1 等直隔离段流场数值模拟分析
• 4.1.1 模型计算方法及边界条件
• 4.1.2 结果与分析
• 4.1.3 结论
• 4.2 台阶隔离段流场数值模拟分析
• 4.2.1 结果与分析
• 4.2.2 台阶结构对内部流场的影响
• 4.2.3 双台阶结构隔离段台阶位置对流场的影响
• 4.2.4 结论
• 第五章 凹腔超燃冲压发动机燃烧室冷态流场研究
• 5.1 带倾角凹腔燃烧室结构冷态流场特点分析
• 5.1.1 计算模型及边界条件
• 5.1.2 计算结果与分析
• 5.1.3 竖直凹腔与后壁倾斜角凹腔冷态流场特点比较分析
• 5.1.4 无倾角凹腔结构（上下对称结构）流场特性分析
• 5.2 凹腔燃烧室结构冷态流场阻力特性分析
• 5.3 凹腔燃烧室结构冷态流场自激振荡特性分析
• 5.4 带隔板凹腔燃烧室结构冷态流场特点分析
• 5.5 冷态流场分析结论
• 第六章 凹腔超燃冲压发动机燃烧室热态流场研究
• 6.1 不同燃料喷射方式凹腔结构燃烧室流场分析
• 6.1.1 计算模型和数值计算边界条件
• 6.1.2 计算结果与分析
• 6.1.3 结论
• 6.2 后台阶与凹腔结构燃烧室流场比较分析
• 6.2.1 数值计算方法及边界条件
• 6.2.2 计算结果与分析
• 6.2.3 结论
• 6.3 燃烧室中燃料燃烧对流场的影响
• 6.3.1 数值计算方法及边界条件
• 6.3.2 计算结果与分析
• 6.3.3 结论
• 6.4 凹腔长深比对燃烧室燃料燃烧的影响
• 6.4.1 数值计算方法及边界条件
• 6.4.2 计算结果与分析
• 6.4.3 结论
• 第七章 凹腔结构燃烧室在超燃冲压发动机的应用
• 7.1 多凹腔火焰稳定器燃烧室设计
• 7.1.1 超燃冲压发动机的一体化设计
• 7.1.2 模型计算结果分析
• 第八章 结论与建议
• 8.1 本文主要研究成果
• 8.2 进一步研究工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录