药柱式水冲压发动机燃烧组织研究

论文摘要

作为超高速鱼雷的推进系统,水冲压发动机以其无以伦比的性能优势主导了水下推进系统的发展方向。影响发动机性能的因素主要是燃烧效率和喷管效率,而这两个参数都与发动机燃烧组织过程有直接或者间接的关系。因此,水冲压发动机燃烧组织过程的好坏是其性能优势能否得到充分发挥的关键。本文采用数值模拟和直连式试验等研究方法,对以金属镁为主要燃料的药柱式水冲压发动机进行研究,探索了影响其燃烧组织过程的各种因素及药柱式水冲压发动机的设计准则,为进一步研究药柱式水冲压发动机的性能奠定基础。在对药柱式水冲压发动机内流场进行必要、合理简化的基础上,建立了适用于药柱式水冲压发动机燃烧组织过程研究的数值计算模型。模型考虑了燃烧室内气液两相湍流流动、气相反应过程、液滴雾化蒸发模型。采用该计算模型对水冲压发动机燃烧组织过程进行数值模拟研究,得到了与理论过程基本一致的结果。采用数值模拟的方法研究了一次进水喷射角度、二次进水喷射角度、一次进水位置、二次进水位置、总水燃比、水燃比分配、液滴雾化粒径分布等因素对药柱式水冲压发动机燃烧组织过程的影响规律,得到了使水冲压发动机比冲性能最优的总水燃比、一次进水喷射角度分布范围、水燃比分配方案和液滴雾化粒径等有实际意义的结论。改进了原有的水冲压发动机直连式试验系统,进行了一系列药柱式水冲压发动机试验,研究了一次进水喷射角度、二次进水位置、水燃比分配等因素对水冲压发动机燃烧组织过程的影响,试验结果与数值模拟结果基本一致,验证了本文所建立的数值计算模型的正确性,而通过该模型得到的一系列结论对实际情况具有预示作用。此外,还进行了不同金属含量推进剂性能的对比试验,试验结果表明今后开展高金属含量水冲压发动机研究的必要性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 水冲压发动机技术
• 1.1.2 水冲压发动机技术发展现状
• 1.2 水冲压发动机燃烧组织研究的必要性
• 1.3 金属镁颗粒燃烧研究
• 1.3.1 水冲压发动机金属燃料选择
• 1.3.2 金属镁颗粒燃烧研究概况
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 药柱式水冲压发动机燃烧组织数值模拟研究
• 2.1 引言
• 2.2 水冲压发动机内流场描述
• 2.3 数值计算模型
• 2.3.1 发动机燃烧室两相燃烧流动数值模拟模型
• 2.3.2 液滴雾化与蒸发模型
• 2.3.3 湍流流动模型
• 2.3.4 组分输运和反应模型
• 2.3.5 边界条件和初始条件
• 2.4 药柱式水冲压发动机燃烧组织数值模拟
• 2.4.1 模型发动机和计算网格划分
• 2.4.2 药柱式水冲压发动机燃烧组织数值模拟结果及分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 药柱式水冲压发动机燃烧组织影响因素数值模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 一次进水喷射角度对燃烧组织的影响
• 3.2.1 计算物理模型及边界条件
• 3.2.2 计算结果对比分析
• 3.3 二次进水喷射角度对燃烧组织的影响
• 3.3.1 计算物理模型及边界条件
• 3.3.2 计算结果对比分析
• 3.4 一次进水位置对燃烧组织的影响
• 3.4.1 计算物理模型及边界条件
• 3.4.2 计算结果对比分析
• 3.5 二次进水位置对燃烧组织的影响
• 3.5.1 计算物理模型及边界条件
• 3.5.2 计算结果对比分析
• 3.6 液滴粒径分布对燃烧组织的影响
• 3.6.1 物理模型和边界条件
• 3.6.2 Rosin-Rammler分布
• 3.6.3 计算结果分析比较
• 3.7 液滴雾化粒径对燃烧组织的影响
• 3.7.1 计算物理模型及边界条件
• 3.7.2 计算结果对比分析
• 3.8 总水燃比对燃烧组织的影响
• 3.8.1 计算物理模型及边界条件
• 3.8.2 计算结果对比分析
• 3.9 水燃比分配对燃烧组织的影响
• 3.9.1 计算物理模型及边界条件
• 3.9.2 计算结果对比分析
• 3.10 本章小结
• 第四章 药柱式水冲压发动机燃烧组织试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 水冲压发动机燃烧组织试验研究
• 4.2.1 水冲压发动机燃烧组织试验系统
• 4.2.2 冲压水雾化技术
• 4.2.3 水流量稳定技术
• 4.2.4 试验数据处理
• 4.2.5 试验发动机设计
• 4.3 水冲压发动燃烧组织试验结果分析
• 4.3.1 一次进水喷射角度对燃烧组织影响
• 4.3.2 二次进水位置对燃烧组织影响
• 4.3.3 水燃比分配对燃烧组织影响
• 4.3.4 推进剂金属含量对发动机燃烧组织的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 结束语
• 5.1 主要结论
• 5.2 对未来研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间发表学术论文