双模态超燃冲压发动机流场数值研究

论文摘要

超燃冲压发动机是未来高超声速飞行器的主要动力装置。它具有结构简单、质量小、推重比高和成本低等特点，因此有着很广泛的应用前景。超燃冲压发动机的内部流场很复杂，存在激波、膨胀波、附面层和剧烈的化学反应等相互作用，给数值模拟带来很大的困难。本文利用格心格式的有限体积法、q-ω湍流模型和有限速率基元化学反应模型对超燃冲压发动机的流场进行了数值模拟和初步的研究，为超燃冲压发动机的分析和设计提供一定的依据。 本文首先对计算所用的数值方法进行了介绍，包括对流项、粘性项的离散和时间项的积分，湍流模型的介绍，刚性化学反应源项的处理和边界条件等，并在此基础对已有的程序进行修改。 然后利用上面的数值方法，对超燃冲压发动机隔离段的流动进行了数值模拟，模拟了隔离段在不同飞行马赫数、不同反压、均匀来流情况下的流场的结构，得到了隔离段内复杂的激波串结构。考虑到真实情况，来流是不均匀的，本文对三维的进气道／隔离段耦合的模型进行了计算，发现隔离段入口的非均匀来流对隔离段的内流场影响是很大的，出口的马赫数、压强在不均匀来流情况下存在很大的畸变。 最后，采用H2和空气的9组分34基元反应对H2和空气超声速混合燃烧的算例进行了计算，并与实验数据进行比较，验证了程序处理化学反应的方法是正确的；在此基础上对固定几何、带隔离段的双模态超燃冲压发动机在不同飞行马赫数下的流场进行了模拟，最后分析了不同的燃料喷射方向对燃烧室和隔离段流场的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国外发展现状
• 1.3 国内研究现状
• 1.4 选题意义
• 1.5 工作安排
• 第二章 数值方法介绍
• 2.1 网格生成
• 2.2 控制方程
• 2.3 空间离散
• 2.3.1 对流项界面通量的计算
• 2.3.2 对角化求解
• 2.4 化学反应源项的处理
• 2.4.1 化学反应源项的计算
• 2.4.2 化学反应模型
• 2.5 边界条件
• 2.6 小结
• 第三章 隔离段流场的数值模拟
• 3.1 隔离段的数值模拟
• 3.1.1 计算模型
• 3.1.2 边界条件
• 3.1.3 算例分析
• 3.2 进气道/隔离段的数值模拟
• 3.2.1 进气道/隔离段的计算模型
• 3.2.2 算例分析
• 第四章 二维燃烧室流场的数值模拟
• 4.1 算例验证
• 4.1.1 计算模型
• 4.1.2 结果分析
• 4.2 双模态燃烧室的计算
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 边界条件
• 4.2.3 无燃料喷射情况的计算结果及分析
• 4.2.4 燃料垂直喷射情况下的计算结果及分析
• 4.2.5 不同燃料喷射角情况下流场的数值模拟
• 第五章 结束语
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 在校攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢
• 附图
• 附录