超燃冲压发动机燃料前喷技术研究

发布时间：2017-10-25 22:42

  本文关键词：超燃冲压发动机燃料前喷技术研究

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【摘要】：超燃冲压发动机作为高超声速飞行器的核心部件,近年来受到越来越多的关注。然而超燃冲压发动机性能提升还面临诸多技术难题和困难,本文重点调研和分析了热防护、燃烧的主要问题、激波边界层分离对隔离段性能的影响和隔离段内的摩擦阻力四方面。基于理想的Brayton循环,通过建立隔离段内提前喷射燃料、燃烧过程和膨胀过程的控制方程组,在Matlab中构建能够描述带前喷发动机性能的程序。在隔离段内喷射燃料(或水蒸气),假设这部分燃料不燃烧,由于降低了燃烧室进口温度,在给定燃烧室出口最大温度时,也就增大了燃烧室喷射燃料的潜力和工质的流量,提高了发动机比推力,但会降低燃料经济性。由于前喷燃料量较小,并且甲烷与水蒸气具有相似性(相对分子质量和定压比热容相近),所以前喷甲烷与水蒸气对发动机性能的影响相近。考虑到前喷燃料对隔离段分离区吹除、壁面的隔热作用、减阻和抗反压能力的影响,在Fluent中进行冷态数值仿真,重点研究前喷的气动性能。分析了影响前喷效果发挥的不同喷射方案,探究了不同方案下对发动机上述方面的影响。定义了发动机的掺混效率、总压恢复系数和隔离段出口气流不均匀度。结果表明,一方面,小角度小当量比即可吹除分离区,喷射对于提高隔离段壁面热防护能力效果显著,即使是大当量比喷射,在隔离段出口掺混也能达到较高水平,此外,喷射加重了隔离段出口气流压力不均匀性,对温度不均匀性影响较小,改善了马赫数的不均匀性,有利于组织燃烧,大当量比中等角度喷射对抗反压能力也有一定的提高。另一方面,前喷增加了隔离段的总压损失,喷射位置在隔离段前半部分是,中等当量比垂直喷射将会导致进气道不起动。总之,从冷态前喷的气动性能看,隔离段内提前喷射燃料的利大于弊。分析了前喷情况下的燃烧性能。固定发动机总当量比,探究了无前喷时的不同支板/后壁面喷油比例的性能,在此基础上,分析了小当量比前壁面喷油、不同喷油位置和塔桥结构对发动机燃烧效率、摩擦阻力和反压前传等的影响,结果表明,小当量比前喷可以提高燃烧效率、降低摩擦阻力,并且在分担支板部分喷油时,可以有效控制压力前传;再增大当量比后,前壁面喷油替代支板变为压力前传的主导因素;合理的塔桥尺寸和安放位置可以有效抑制压力前传,但是却降低了燃烧效率,并且在前壁面大当量喷射情况下会失效。
【关键词】：超燃冲压发动机 燃料前喷 冷却 掺混 燃烧效率
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V235.21
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 本文研究背景10-13
• 1.1.1 高超声速技术及超燃冲压发动机10
• 1.1.2 超燃冲压发动机性能提升面临的一些挑战10-13
• 1.2 本课题的研究意义13-14
• 1.3 国内外研究现状14-21
• 1.3.1 进气道内的燃料喷注15-17
• 1.3.2 隔离段内燃料前喷的实验研究17-19
• 1.3.3 国内研究现状19
• 1.3.4 研究现状小结19-21
• 1.4 本文的研究内容及章节安排21-22
• 第2章 燃料前喷的超燃冲压发动机性能理想分析22-30
• 2.1 引言22
• 2.2 燃料前喷的超燃冲压发动机热力过程分析22-24
• 2.3 燃料前喷对超燃冲压发动机性能的影响分析24-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 燃料前喷发动机冷态流场数值模拟研究30-67
• 3.1 引言30
• 3.2 数值模拟方法及喷射方案分析30-34
• 3.2.1 物理模型及数值模拟方法30-31
• 3.2.2 网格无关性验证31-32
• 3.2.3 数值模拟方法验证32-34
• 3.2.4 喷射方案分析34
• 3.3 燃料前喷吹除效果分析34-39
• 3.3.1 隔离段性能及流场品质评价方法34-36
• 3.3.2 燃料前喷对隔离段附面层吹除分析36-39
• 3.4 燃料前喷减阻效果影响分析39-46
• 3.4.1 喷射位置对减阻效果的影响39-42
• 3.4.2 喷射孔径对减阻效果的影响42-43
• 3.4.3 喷射角度对减阻效果的影响43-44
• 3.4.4 喷射当量比对减阻效果的影响44-45
• 3.4.5 单双侧喷射对减阻效果的影响45-46
• 3.5 燃料前喷对隔离段壁面的冷却性能影响分析46-50
• 3.5.1 喷射位置对冷却性能的影响46-47
• 3.5.2 喷射孔径对冷却性能的影响47
• 3.5.3 喷射角度对冷却性能的影响47-48
• 3.5.4 喷射当量比对冷却性能的影响48-50
• 3.5.5 单双侧喷射对冷却性能的影响50
• 3.6 燃料前喷对隔离段掺混性能影响分析50-54
• 3.6.1 喷射位置对掺混效率的影响50-51
• 3.6.2 喷射孔径对掺混效率的影响51-52
• 3.6.3 喷射角度对掺混效率的影响52-53
• 3.6.4 喷射当量比对掺混效率的影响53-54
• 3.6.5 单双侧喷射对掺混效率的影响54
• 3.7 燃料前喷对隔离段出口气流不均匀度的影响分析54-61
• 3.7.1 喷射位置对出口气流不均匀度的影响54-56
• 3.7.2 喷射孔径对出口气流不均匀度的影响56-57
• 3.7.3 喷射角度对出口气流不均匀度的影响57-58
• 3.7.4 喷射当量比对出口气流不均匀度的影响58-60
• 3.7.5 单双侧喷射对出口气流不均匀度的影响60-61
• 3.8 燃料前喷对隔离段抗反压能力影响的分析61-65
• 3.9 本章小结65-67
• 第4章 燃料前喷发动机燃烧流场数值模拟研究67-92
• 4.1 引言67
• 4.2 模型简介及冷态流场数值模拟67-70
• 4.2.1 模型介绍及燃烧效率定义67-69
• 4.2.2 冷态数值仿真结果69-70
• 4.3 支板/后壁面喷油比例对发动机性能的影响70-74
• 4.4 不同前壁面/支板/后壁面喷油比例对发动机性能的影响74-84
• 4.4.1 前壁面小当量比下变喷射角度对发动机性能的影响74-77
• 4.4.2 前壁面喷射当量比极限的分析77-81
• 4.4.3 前壁面喷射位置对发动机性能的影响81-84
• 4.5 塔桥结构对反压前传的影响研究84-91
• 4.5.1 塔桥位置对反压前传的影响研究84-88
• 4.5.2 塔桥结构抑制反压前传的极限喷射量初步研究88-91
• 4.6 本章小结91-92
• 结论92-94
• 参考文献94-98
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果98-100
• 致谢100

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