基于一维Euler方程的超燃冲压发动机建模及应用

发布时间：2020-07-11 03:39

【摘要】：吸气式高超声速飞行器由于其突出的战略意义,已经成为世界各航空航天大国都十分重视的研究领域,超燃冲压发动机技术和机体/推进一体化分析方法是研究人员的重点研究方向。对超燃冲压发动机做出快速性能评估依赖于快速有效的超燃冲压发动机准一维数值模拟方法,对一体化构型进行设计分析依赖于高超声速飞行器/超燃冲压发动机一体化流场的耦合计算方法。基于此,本文开展了如下研究工作:首先将有限速率化学反应引入超燃冲压发动机准一维计算方法中,建立了考虑截面面积变化、质量添加和摩擦力等影响因素的化学非平衡流准一维Euler方程。为解决数值求解刚性问题,采用Strang时间分裂法将化学非平衡流动分解为流动和化学反应两部分,并给出了基于“源项消去法”构造的双时间步流动求解格式和基于拟稳态逼近求解器α-QSS的化学反应计算方法,从而发展了一套完整的适用于超燃冲压发动机非定常性能快速分析的准一维程序。通过对不同的超燃冲压发动机燃烧室模型的仿真与实验结果的对比验证了准一维程序的适用性和准确性,并计算分析了当量比和进口压强对燃烧流场的一维影响特性。在高超声速飞行器机体/推进一体化建模方法研究中,基于FLUENT UDF混合编程的方法实现了内外流场连接界面和耦合迭代求解过程的数据传递,从而建立了高超声速飞行器二维外流场和超燃冲压发动机准一维内流场的耦合计算方法。采用该方法对某典型一体化高超声速飞行器构型开展了冷流条件和点火条件下的一体化流场计算,结果表明通过该耦合方法计算的流场参数分布合理,同时能够较为有效的计算出飞行器外流场特征、发动机内化学非平衡流特性以及内外流的真实耦合效应。本文的相关工作可为超燃冲压发动机的性能分析和吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化分析设计提供重要参考。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V430
【图文】：

图 1.1 高超声速飞行器及超燃冲压发动机概念图Fig 1.1 Photographs of hypersonic vehicle and scramjet本文重点研究了超燃冲压发动机的非定常准一维数值建模方法，以及机体一体化全流道耦合的分析方法。.2 国内外研究现状.2.1吸气式高超声速飞行器发展概况以超燃冲压发动机作为动力推进的吸气式高超声速飞行器由于其突出的战义，已经成为世界各军事强国都十分重视的发展方向。早在 20 世纪 60 年代国 X-15 技术验证机利用火箭发动机实现了第一次高超声速飞行[8]，这为吸气超声速飞行器的发展奠定了坚实的基础，之后经过几十年的持续研究，发达在新型飞行器的研制方面陆续取得了关键技术上的突破，其中美国在吸气式声速飞行器领域依旧走在世界的最前沿，在理论研究和飞行试验方面均取得硕的研究成果，并进行了多种型号验证机的飞行试验。计划：1984~1996 年由美国国防部（DOD）和美国国家航空航天

成功在 35 千米飞行高度下达到了 9.68 马赫数[21]。X-43A 的两次成功试飞验证了高超声速飞行器在超燃冲压发动机推动下能够持续飞行，也标志着吸气式高超声速飞行器从试验阶段迈向了工程研制阶段[10]。X-51A计划：自 2004 年起美国空军研究实验室（AFRL）和国防高级研究计划局（DARPA）联合开展了 X-51A 计划[22-24]，X-51A（如图 1.2.（b））是以碳氢燃料超燃冲压发动机为动力的乘波体验证机，其主要目标是验证利用碳氢燃料主动冷却超燃冲压发动机实现高速飞行的可行性、获取超燃冲压发动机的试验数据并用于发动机的设计计算和性能分析、检验飞行器从 4.5 马赫数助推到 6 马赫数的飞行性能等。NASA 分别在 2010 年 5 月和 2013 年 5 月成功完成了 X-51A 的验证飞行试验：在 2010 年 5 月的首次飞行试验中，超燃冲压发动机正常工作了约 143秒，飞行马赫数约为 4.8，虽未达到预期的 300 秒工作时间及 6.5 马赫数的加速推进，但也完成了约 90%的试验目标；在 2013 年 5 月的试飞中，X-51A 成功从 4.8马赫数推进加速到 5.1 马赫数并成功维持了约 210 秒。X-51A 也是世界首例超燃冲压发动机长时间成功进行高超声速燃烧的高超声速飞行器，已经接近工程应用基础。

Navier-Stokes 方程是目前，包含质量守恒、动量守恒和能量复物理杂现象的流场中，也仍然遵 方程能够较为准确的模拟流场的FD 流场分析方法因此也广泛应用于D方法的FLUENT软件对某一体化高用户自定义函数（User-Defined Fun机准一维内流计算程序动态的连接到内外流场耦合计算。本章简述了 CF流场计算的具体方法。的流场中任意一个由封闭表面 围

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本文编号：2749902