超临界态碳氢燃料吸热流动的三维计算研究

论文摘要

以超燃冲压发动机为动力的吸气式高超声速飞行器,已成为现阶段的研究热点。再生冷却技术作为超燃冲压发动机热防护的关键技术之一,其重要性日益突出。目前,国内对于再生冷却通道内超临界态碳氢燃料的三维流动、传热研究较少,尤其是燃料裂解和通道内流量分配的研究。因此,围绕再生冷却技术展开系统分析和深入研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本文共6章。第一章是绪论,主要介绍了国内外再生冷却技术的发展历史和现状,介绍了以SIMPLE算法为基础的数值方法的发展完善过程,论证了该算法对于再生冷却通道内燃料流动、传热问题的适用性,随后简要介绍了本文工作。第二章介绍了数理模型。首先,在考虑通道中燃料处于超临界态,密度随温度、压力变化的基础上,对不可压SIMPLE算法进行了扩展,建立了三维复杂区域中包括可以模拟燃料物性变化在内的层/湍流流动、传热及裂解的数值计算方法。推导了曲线坐标系下基于同位网格的通用控制方程,利用动量插值消除压力波的影响。实现了大规模并行计算,并编制相应程序。第三章通过与文献中方腔流、180度方截面弯管流、小曲率矩形截面弯管流动的对比计算,验证了程序的可靠性。利用该程序对轴对称管道中碳氢燃料的吸热裂解行为进行了初步研究分析。第四章是冷却面板传热特性研究。利用本文发展的数理模型和计算方法对超燃冲压发动机再生冷却通道内冷却剂的三维流动、传热特点进行了探索,重点研究了通道内的对流换热特性和燃料的吸热裂解特性。在国内率先完成了可用于超燃冲压发动机再生冷却结构设计的冷却面板传热特性的试验,并实现了试验和计算结果的定量比较。结果表明,通道中燃料物性变化剧烈,在没有催化剂的条件下,温度超过870K时燃料才出现明显的裂解。第五章是发动机侧板内流量分配特性的研究,以水为工质,搭建了试验平台,采用与计算相结合的方法,研究了不同的通道结构对发动机侧板内冷却剂流量分配的影响,为超燃冲压发动机再生冷却结构设计提供了工具和数据。最后,在结束语中,对本文工作做了总结,指出存在的不足和今后的工作方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究进展
• 1.2.1 国外研究进展
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 数值方法概述
• 1.4 本文工作
• 第二章 数理模型
• 2.1 直角坐标系下的控制方程
• 2.1.1 不可压流场的控制方程
• 2.1.2 碳氢燃料物性与裂解方程
• 2.2 曲线坐标系下的方程变换
• 2.2.1 控制方程变换
• 2.2.2 边界条件变换
• 2.3 同位网格上的压力修正方程
• 2.4 本章小结
• 第三章 三维流动问题的数值模拟
• 3.1 方腔流
• 3.2 180 度方截面弯管
• 3.3 小曲率矩形截面弯管
• 3.4 轴对称管道中燃料裂解研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 冷却面板传热特性研究
• 4.1 概述
• 4.2 冷却面板试验介绍
• 4.3 冷却通道内三维吸热流动计算
• 4.4 结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 发动机侧板流量分配研究
• 5.1 试验与计算
• 5.1.1 试验介绍
• 5.1.2 计算条件
• 5.2 结果分析
• 5.2.1 试验与计算对比
• 5.2.2 汇通槽的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 本文工作及创新点
• 6.2 论文工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 坐标系及控制方程变换
• A.1 坐标系变换
• A.2 控制方程变换
• 附录B 控制方程离散