非定常喷流超音速燃烧流场数值模拟与特性分析

发布时间：2020-07-06 08:19

【摘要】：本文针对超燃冲压发动机燃烧室内燃气喷流与主流干扰问题及非定常燃烧流场特性问题开展研究,对燃气喷流超音速燃烧流场进行了数值模拟,探究了燃气喷流流动参数与脉冲喷流时间效应对燃烧室流场结构及燃烧特性的影响。首先,阐述了国内外超声速燃烧流场数值模拟技术发展以及燃料喷注方案应用的现状,指出了非定常燃料喷注方案促进燃料掺混与燃烧的优势以及脉冲喷流参数选择的不确定性,由此表明了本文研究工作的必要性。其次,介绍了本文研究工作所运用的数值模拟计算方法,基于不同物理模型冷流流场和燃烧流场数值模拟结果与实验结果的对比,证明了选用的数值模拟方法可行性。然后,对定常横向喷流超声速燃烧特性进行研究。对带楔板/凹腔组合结构的直连式二维燃烧室内流场进行了研究与分析,讨论了楔板结构、喷流静压、喷流角度对燃烧流场特性的影响,对喷主流干扰燃烧流场有了明确而清晰的认识。最后,对非定常横向喷流超声速燃烧特性进行研究,分析了后台阶/扩张段的直连式二维燃烧室内非定常脉冲喷流燃烧流场结构与特性。定义了氢气掺混量与氢气燃烧量作为特征参数,对脉冲流场中的氢气掺混与燃烧特性进行了分析,说明了两类脉冲喷流参数的确定方法,以及占空比与脉冲频率对脉冲喷流燃烧流场的影响特性与规律。并根据本文研究结果,对脉冲燃料喷注方案的设计给出了建议。论文研究成果在超燃冲压发动机复杂燃烧内流流动分析与燃气喷流燃烧流场特性分析方面,具有一定的指导意义。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V235.21
【图文】：

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非定常喷流超声速燃烧流场数值模拟与特性分析从理论转为实际。压发动机的结构简图在图 1.2 中给出，主要包括四个组成部件：进气道喷管。空气经由进气道压缩增压后流入隔离段，在隔离段中稳流后，较入燃烧室，燃料与超声速气流在燃烧室内发生掺混燃烧，最后通过尾喷超声速燃烧室作为超燃冲压发动机的核心部件，在工作过程中内部流场激波结构、各种涡系、附面层以及相互之间的干扰。由于超声速来流在动机内停留的时间仅为几毫秒，在毫秒量级内想要实现空气与燃料的高注方案的选择与设计成为了最直接且有效的技术手段之一。

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图 1.3 氦气质量分布分布朗权等[54]将正弦脉冲喷流置于三角翼涡流发生器后，探究了不的穿透特性，结果表明在较低喷主流静压比条件下，脉冲射流，但穿透深度较低。周松柏[55]在 NAL 双模态冲压发动机模型喷流条件时保持与定常喷流氢气质量流量相同，发现脉冲喷流减弱，隔离段分离区减小，有利于减小隔离段长度。同时还发大了与空气的接触面积，能与空气在更短的燃烧室流向区域内有利于缩短发动机燃烧室长度。脉冲喷流参数的设置并没有一个特定的法则，而脉冲喷流由于现出了明显的促进作用，因此脉冲喷流对流场的干扰特性值得

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来流马赫数 Ma3.75 ，来流总压0p1.2 MPa，来流总喷出纯氮气，喷流马赫数 1.0jMa ，喷流总压0 0.31jp 1K。计算网格如图 2.1 所示，采用四边形结构网格，在喷，与k SST 湍流模型相对应的 y+应小于 1，所以第一层图 2.1 二维平板氮气横向喷流计算网格模拟与实验平板壁面压力系数对比，这里定义的压力系数中可以看出，壁面压力系数变化趋势基本一致，喷口上游而喷口后回流区大小较实验值略大，这是因为实验中的氮中的二维氮气喷流在喷流穿透高度范围内完全堵塞主流，

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