固体燃料超燃冲压发动机燃烧室内自点火和火焰稳定性研究

发布时间：2018-12-14 19:32

【摘要】：固体燃料超燃冲压发动机具有结构简单、比冲高、成本低、安全性好、作战时反应时间短等优点,在未来高超声速飞行系统有着广阔的应用前景。但是固体燃料超燃冲压发动机的研究仍然处于初步探索阶段,许多关键技术发展的并不成熟,作为核心部件的燃烧室内的点火、组织燃烧及火焰维持是亟需解决的问题。采用理论分析、数值模拟及直连式实验相结合的方式对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室内的自点火及火焰维持过程、机理及影响因素进行了探索性的研究。针对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室内固体燃料的退移燃烧过程进行理论分析,考虑气体和固体燃料之间的耦合传热、热解气体的加质燃烧、固体燃面的退移过程及超声速流动特点,基于非稳态动网格技术,建立了超声速流中固体燃料退移热解燃烧的数值模型。并对适用于超声速流动的湍流模型进行了对比分析,选用了具有良好性能的湍流模型用于本文数值模型中。压力及燃速数值结果和实验数据符合的较好,所建立的数值模型适合于研究固体燃料超燃冲压发动机内的流动燃烧相关问题。采用稳态算法,对固体燃料的自点火影响因素进行了数值模拟研究。本研究主要关注了进气参数及燃烧室构型的影响。首先对比了常应用在传统亚燃冲压发动机中的突扩台阶和常应用在液体燃料超燃冲压发动机中的凹腔火焰稳定器的自点火性能,发现在突扩台阶的基础上加入适当长度和深度的凹腔既能提高点火性能又能提高总体性能。存在进气贫氧和进气富氧自点火极限以及进气总温自点火极限。较长较深的凹腔易于实现自点火,等直段直径越大越不利于自点火,而凹腔后缘收敛角越大越有利于自点火。对燃烧室内的非稳态自点火建压过程进行了数值模拟研究。分析了固体燃料自点火过程中压力、温度及组分以及燃面退移率的变化规律,根据流动燃烧特点将自点火过程分为热量积累、小回流区自点火及火焰传播三个阶段,在火焰传播阶段燃烧室内压力突升,完成自点火建压。在能够实现自点火的凹腔的基础上,增深凹腔增大了点火延迟时间,增长凹腔降低了点火延迟时间。小回流区起着实际的点火源作用,据此提出了一种新型台阶式凹腔,既能提高点火性能又能提高燃烧室整体性能。自点火机理为:满足合适的进气流量及总温,充分加热燃料,提供足够的化学反应强度,凹腔提供足够的停留时间及回流区面积,使得热量在小回流区内能够持续积累,气相达到点火温度后,首先实现小回流区的自点火,随后逐步点燃其余燃面。基于平行层退移规律,采用准稳态算法研究了燃烧室内固体燃料的退移燃烧及火焰稳定性的影响因素。对比了火焰稳定时及火焰不能维持时的燃烧特性。稳态燃烧过程中,主回流区内温度高于小回流区,高温区分布在凹腔后部及燃面以上的剪切层附近,高温区逐渐向下游扩展。熄火后燃烧室内参数接近进气冷流参数。在相同的进气流量条件下,进气总温越高凹腔内的平均温度越高,火焰稳定性能越好。在相同的工作时刻,进气总温越大,平均退移速率越高。在相同的进气总温条件下,进气流量越高,燃烧室工作时间越短。燃烧室内在一定的工作时间内能够保持火焰稳定,但是在更长的时间范围内均会发生自熄火,即火焰稳定是相对的。在满足燃烧室工作性能以及不引起壅塞的前提下,应该适当的增加凹腔面积、增深凹腔、减小等直段直径并增长等直段长度以增强火焰稳定性。基于动网格技术,对SFSCRJ燃烧室内的非稳态退移燃烧过程进行了详细的研究,数值分析了熄火机理。获得了燃面退移规律,监测了壁面参数、轴线参数及内流场演变过程。固体燃料的最高燃速分布在凹腔和等直段交界处,进口附近和出口附近的燃速较低,整个平均退移速率逐渐降低。固体燃料退移过程中,扩张段不断向下游扩展,等直段和扩张段逐渐连成近等直分布,在工作后期出口附近的扩张段可能形成渐扩渐缩的型面分布,内流场温度呈现先增后减的趋势。在相同的进气条件下,有些构型维持火焰的时间较短,其熄火原因为:在SFSCRJ燃烧室工作过程中,通道逐渐变宽,主流流速逐渐增大,整个燃烧室内不同区域的平均温度均处于降低的趋势,当凹腔提供的停留时间呈现逐渐降低的情况下,凹腔的火焰维持能力降低,会引起火焰分布的波动以及流动结构的变化,致使凹腔的稳焰作用失效,在相对低温的主流冷却及吹熄作用下引起熄火。通过直连式试验证实了在飞行马赫数6的条件下,1000g/s和500g/s流量下都能实现自点火和火焰稳定,突扩台阶也能实现自点火和火焰稳定,但是工作性能不如相同等直段直径下的凹腔。在点火初期,燃烧室的高亮高温区域逐渐由上游向下游传播,燃烧室内温度在整体上经历了先增后减的趋势,在稳定燃烧阶段,小回流区内温度低于主回流区,这些现象和结论与数值研究结果相一致。在熄火过程中,燃烧室内火焰有一定的波动,并由后向前熄灭。
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【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V231.2

【参考文献】