涡旋掺混对硼颗粒点火燃烧影响的数值仿真研究

发布时间：2017-10-31 01:17

  本文关键词：涡旋掺混对硼颗粒点火燃烧影响的数值仿真研究

  更多相关文章： 固冲发动机 硼 点火 燃烧 两相燃烧 旋流进气 数值模拟

【摘要】：硼具有高质量热值和体积热值,是固体火箭冲压发动机(以下简称固冲发动机)的理想燃料添加剂。由于硼颗粒在固冲发动机补燃室内的停留时间很短,且颗粒表面有氧化层的覆盖,抑制颗粒燃烧,因此引入旋流进气技术,提高颗粒在补燃室内停留时间以及掺混效果,从而达到提高燃烧效率的目的。以773K环境温度中晶体硼颗粒氧化层的微观特征为依据,在现有的点火模型基础上,根据氧化层最外侧物质属性以及火焰面反应放热,建立了新的点火模型。在燃烧过程中,以颗粒升华温度(2820K)为界限,当颗粒温度小于2820K时,采用颗粒表面反应模型,并以粒径和温度为界限,建立了颗粒的单步反应与多步反应燃烧模型;当颗粒温度大于2820K时,采用表面反应液滴燃烧的组合模型,并引入沸腾指数,限制颗粒在燃烧过程中超过沸点温度。利用折算薄膜理论,考虑了强旋下强迫对流对颗粒燃烧的影响。该模型在硼颗粒点火燃烧过程中充分考虑了颗粒所能出现的各种情况,提高了模型的完整性,模型数值计算结果与实验数据基本吻合。采用k??Realizable湍流模型,单步涡团耗散燃烧模型以及考虑了高速气流作用下新建立的硼粒子点火燃烧模型,开展了不同旋流进气强度下固冲发动机补燃室内含硼颗粒两相燃烧流动数值模拟。分析了在四种不同的旋流进气角度,以及不同的压强、粒径和温度对硼颗粒点火燃烧以及燃气燃烧效率的影响。本文得出如下结论:1.有旋的总燃烧效率高于无旋,颗粒点火距离随旋流数的增加而减短。2.同旋条件下,气相燃烧效率随着旋流数的增大先减后增,硼颗粒的燃烧效率先增后减,总燃烧效率在旋流叶片角为30°至45°范围内存在一个最大值。随着旋流强度增加,颗粒扩散性随之增强。3.在反旋条件下,气相与凝相的燃烧效率均呈现先增后降的趋势,其总燃烧效率最大值出现在旋流叶片角为15°左右的条件下,但其值小于同旋时所能达到的最大总燃烧效率。与同旋相比,在反旋条件下,部分颗粒会受气流对冲影响,减弱了颗粒向外扩散的能力。4.在旋流作用下,随着硼颗粒直径的增加,气相燃烧效率增大,凝相燃烧效率先增后减,颗粒点火距离逐渐增加。总燃烧效率最大值出现在颗粒直径为8μm左右的条件下。5.随着温度的上升,颗粒燃烧效率显著增大,扩散性能也有所增强,而气相燃烧效率略微有所减小。在不同进气温度的条件下,颗粒点火距离基本不变。6.随着压强的增加,颗粒燃烧效率明显上升,在补燃室头部扩散能力逐渐减弱,气相燃烧效率先减后增。
【关键词】：固冲发动机 硼 点火 燃烧 两相燃烧 旋流进气 数值模拟
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V435.12
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 研究的工作背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状综述10-15
• 1.2.1 硼颗粒点火理论模型研究10-12
• 1.2.2 硼颗粒燃烧理论模型研究12-13
• 1.2.3 固体火箭冲压发动机两相燃烧流动数值模拟研究13-15
• 1.3 本文研究内容15-17
• 第2章 硼颗粒点火模型研究17-24
• 2.1 硼颗粒点火理论分析17-22
• 2.2 硼颗粒点火计算控制方程22-23
• 2.3 小结23-24
• 第3章 硼颗粒燃烧模型研究24-33
• 3.1 硼颗粒表面燃烧机理分析24-28
• 3.2 硼的液滴燃烧反应机理分析28-30
• 3.3 硼颗粒燃烧计算控制方程30-31
• 3.4 小结31-33
• 第4章 硼颗粒点火燃烧模型验证与分析33-42
• 4.1 模型验证33-37
• 4.2 点火燃烧过程粒子参数变化规律分析37-41
• 4.2.1 不同粒径对点火燃烧过程粒子参数变化规律分析37-38
• 4.2.2 不同温度对点火燃烧过程粒子参数变化规律分析38-40
• 4.2.3 不同压强对点火燃烧过程粒子参数变化规律分析40-41
• 4.3 小结41-42
• 第5章 硼颗粒点火燃烧的湍流流动计算模型42-49
• 5.1 气相控制方程42-43
• 5.2 颗粒运动控制方程43-44
• 5.3 高速气流下颗粒点火燃烧模型44-45
• 5.4 气相燃烧模型45
• 5.5 边界条件45-46
• 5.5.1 壁面边界条件46
• 5.5.2 入口边界条件46
• 5.5.3 出口边界条件46
• 5.6 二次燃烧效率表征46-47
• 5.7 数值模拟与试验验证47-48
• 5.8 小结48-49
• 第6章 固冲发动机补燃室内涡旋掺混条件下的硼颗粒点火燃烧特性49-61
• 6.1 物理模型及计算条件49-50
• 6.2 不同旋流工况计算50-59
• 6.2.1 旋流强度对发动机燃烧效率影响分析50-53
• 6.2.2 粒径对旋流补燃室燃烧效率影响分析53-56
• 6.2.3 空气进气温度对旋流补燃室燃烧效率影响分析56-57
• 6.2.4 压强对旋流补燃室燃烧效率影响分析57-59
• 6.3 总结59-61
• 第7章 结论和展望61-63
• 7.1 结论61-62
• 7.2 展望62-63
• 参考文献63-67
• 攻读硕士学位期间发表的论文67-68
• 致谢68

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本文编号：1120157