高温风洞燃烧加热系统动态响应特性建模及应用研究

发布时间：2017-10-12 23:16

  本文关键词：高温风洞燃烧加热系统动态响应特性建模及应用研究

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【摘要】：燃烧加热高温风洞是进行高超声速推进、气动/推进一体化、材料和结构考核试验的主力设备。燃烧加热系统是此类风洞的核心子系统,其研制和调试一旦出现低频振荡燃烧或起动过冲等系统动力学问题,将影响风洞性能和安全、正常运行,是风洞研制的技术难点和风险之一。中国空气动力研究与发展中心正在研制国际上最大尺度的燃烧加热高温风洞,为了降低技术风险,迫切需要开展燃烧加热系统动态特性研究。本文针对高温风洞燃烧加热系统的组成、工作特点,借鉴液体火箭发动机系统动力学理论和研究成果,开展高温风洞燃烧加热系统动态特性部组件动力学建模和仿真,并对计算方法和模型进行验证,然后针对典型工程问题开展应用研究,主要工作如下:(1)建立了适用于燃烧加热系统的动力学模型,包括常温液体或气体管道模型、低温管道模型、分支及容腔模型、阀门及限流孔板模型、气液容腔模型、空气文氏管及汽蚀文氏管模型、喷注器模型、燃烧室模、喷管模型以及充填及吹除模型。(2)利用激波管黎曼问题和管道充填水击问题开展计算方法和模型的对比验证,并探索模块化仿真的可行性。其中,激波管计算的密度、速度、压力和温度沿程分布,与解析解吻合良好,准确地捕捉了激波和接触间断;管道充填水击问题中计算的压力—时间曲线与试验结果吻合良好。以上结果表明,结合Simulink自定义S函数扩展系统动态响应特性的功能模块,可实现模块化仿真,能拓展至工程应用。(3)针对引压管动态响应特性、燃烧加热系统空气冷态调试起动过程及点火起动过程三个典型工程问题开展仿真分析,并进行对比验证试验。结果表明,基于Simulink环境建立的仿真工具,能实现多种部组件复杂系统的动态特性仿真,结果可信,可为高温风洞燃烧加热系统设计优化及故障分析提供一定指导和帮助。
【关键词】：燃烧 系统 动力学 高温风洞 仿真
【学位授予单位】：中国空气动力研究与发展中心
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V211.74
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 主要符号表10-12
• 第一章 引言12-20
• §1.1 研究背景和意义12-14
• §1.2 研究现状及发展趋势14-18
• §1.2.1 液体推进系统动力学模型14-17
• §1.2.2 数值计算方法17
• §1.2.3 仿真软件开发与应用17-18
• §1.3 本文研究内容18-20
• 第二章 燃烧加热系统动态特性建模20-38
• §2.1 概述20
• §2.2 供应系统动力学模型20-30
• §2.2.1 有限元状态变量模型20-21
• §2.2.2 液体管道21-22
• §2.2.3 气体管道22-24
• §2.2.4 低温管道24-26
• §2.2.5 容腔及管道分支26-28
• §2.2.6 阀门及孔板28-29
• §2.2.7 汽蚀文氏管及声速文氏管29-30
• §2.3 燃烧加热器动力学模型30-33
• §2.3.1 喷注器31-32
• §2.3.2 燃烧室32-33
• §2.3.3 喷管33
• §2.4 充填（吹除）过程动力学模型33-37
• §2.4.1 常温管道充填33-35
• §2.4.2 低温管道充填35-37
• §2.4.3 分支及容腔充填37
• §2.4.4 吹除过程37
• §2.5 本章小结37-38
• 第三章 仿真方法及验证38-50
• §3.1 概述38
• §3.2 Simulink及S函数简介38-39
• §3.3 微分方程数值方法39-41
• §3.3.1 显式龙格—库塔（4,5）算法39-40
• §3.3.2 变阶次Adams-Bashforth-Moulton算法40
• §3.3.3 TR-BDF2算法40-41
• §3.3.4 算法选择41
• §3.4 一维激波管黎曼问题验证41-43
• §3.4.1 数学物理模型41-42
• §3.4.2 仿真方法及结果分析42-43
• §3.5 管道充填验证43-47
• §3.5.1 数学物理模型43-44
• §3.5.2 试验系统及计算方法44-45
• §3.5.3 计算及试验对比分析45-47
• §3.6 本章小结47-50
• 第四章 应用研究50-66
• §4.1 概述50
• §4.2 引压管响应特性50-56
• §4.2.1 数学物理模型51
• §4.2.2 试验系统及计算方法51-52
• §4.2.3 引压管直径影响52-54
• §4.2.4 引压管长度影响54-56
• §4.3 空气冷态调试起动响应特性56-61
• §4.3.1 数学物理模型57-58
• §4.3.2 试验系统及计算方法58-59
• §4.3.3 计算及试验对比分析59-61
• §4.4 燃烧加热系统点火起动过程响应特性61-64
• §4.4.1 数学物理模型61
• §4.4.2 试验系统及计算方法61-63
• §4.4.3 计算及试验对比分析63-64
• §4.5 本章小结64-66
• 第五章 总结与展望66-70
• §5.1 研究工作总结66-67
• §5.2 工作展望67-70
• 致谢70-72
• 参考文献72-78
• 攻读学位期间发表论文情况78

【参考文献】

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本文编号：1021475