旋转爆震发动机燃烧与传热特性研究

发布时间：2020-08-07 11:13

【摘要】：旋转爆震发动机(RDE)作为一种新型动力装置,具有结构简单、燃烧效率高、工作频率高等众多优点,但工作涉及到十分复杂的流动、燃烧以及传热过程。在此背景下,本文以气相旋转爆震发动机为研究对象,以氢气/空气作为反应物,展开了旋转爆震发动机燃烧和传热特性研究。本文建立了三维预混喷注发动机模型,采用多步基元反应对RDE内流场进行数值模拟计算,分析了旋转爆震发动机燃烧室内的流场结构。在此基础上,分析了当量比和喷注压力对RDE内流场的影响。结果表明:在本文给定的当量比范围内,爆震波的传播速度随当量比的提高而增大,爆震波高度变化较小。喷注总压对旋转爆震发动机燃烧室内流场参数有着重要影响,喷注总压在0.25 MPa-0.6 MPa内范围内变化时,爆震波高度变化显著,随喷注总压升高呈先增大后减小的趋势;爆震波的传播速度、平均峰值压力、平均峰值温度等参数都随喷注压力的提高而增大。为获得燃气温度、壁面温度及热通量分布情况,以现有旋转爆震发动机实验系统为基础,结合热电偶、红外热成像仪等相关测量设备,对旋转爆震发动机相关的传热特性展开研究。实验结果表明在当量比一定的条件下,燃气温度沿轴向方向呈逐渐降低的趋势,而燃烧室壁面温度先升高后减小。对于同一个测量点,燃气温度和壁面温度均随当量比的提高而升高。在发动机工作过程中,爆震波高度位于燃烧室头部,导致燃烧室头部的壁面温度上升速度明显高于尾部位置,燃烧室壁面沿轴向存在温度梯度,并由头部向尾部传热。在文中所列工况范围内,发动机工作结束时刻的燃烧室壁面平均热通量随当量比升高而略微增大,对给定当量比,燃烧室壁面热通量沿轴向方向逐渐减小。对旋转爆震发动机燃烧室内、外壁面的热通量分布情况进了数值研究。结果表明:燃烧室外壁面的热通量要高于内壁面热通量,燃烧室壁面热通量沿轴向呈现先升高再下降的规律,在旋转爆震波与斜激波交汇点达到极大值。在旋转爆震波高度外,数值模拟获得的壁面热通量沿轴向的变化规律与实验结果一致;但在旋转爆震波高度内,由于实验测量的空间分辨率限制,数值模拟获得的壁面热通量沿轴向的变化规律与实验结果存在差异。针对旋转爆震发动机燃烧室的传热特点以及热通量分布特点,设计了三种不同冷却方案并进行了相关的数值模拟计算。对三种冷却方案的优点以及存在的缺陷等进了相分析,经过对冷却效果、经济性以及可加工型的综合考虑选取较优的冷却方案。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231.2
【图文】：

示意图,爆震,示意图,燃烧室

机是一种利用一个或多个爆震波在环形燃烧室内连续传播，进而产生推力的发动机。推逡逑进剂从燃烧室的封闭端喷入，燃烧产物从另一端排除，存在一个或多个爆震波在燃烧室逡逑头部沿周向旋转传播。如图１．１所示。逡逑冷却腔逡逑（丨＼逦．喷竹逡逑燃钭＼奴、＊／邋，＂邋ｎ逡逑化剂供丨１逦卜逡逑焌？逦＼＼＂邋＇Ｖ邋＃逡逑阵列V/小孔逡逑图１．１旋转爆震发动机结构示意图逡逑１逡逑

示意图,试验装置,爆震波,预混气

（１）早期研宄逡逑２０世纪６０年代初，前苏联拉夫连季耶夫流体力学学院（ＬＩＨ邋）的Ｖｏｉｔｓｃｋｈｏｖｓｋｉｉｔ２２％逡逑首先通过圆盘形试验装置实现了乙炔、氧气预混气的连续旋转爆震。试验装置如图１所逡逑示，预混气从中间进入燃烧室，燃烧产物从外周排出，并用速度补偿观测方法对流场结逡逑构进行了拍摄研宄。图１．２所示实验装置示意图，图１．３为拍摄结果以及流场结构示意图，逡逑其中１为预混气体区，２为燃烧产物区，ＡＢ是爆震波面。在试验中能够清楚发现，在燃逡逑烧室内形成了六道爆震波，并均能实现稳定自持传播。Ｍｉｋｈａｉｌ0Ｖ［２５－２６］在类似的试验装置逡逑中进行了高频压力测试，在爆震波传播区域内得到了周期性的压力突跃，进一步证实了逡逑旋转爆震波的存在。逡逑Ａ邋ｉ逡逑一逦逦逦逦邋■邋Ｔｌｉｒｔ幽＂—逡逑Ｉ逡逑图１．邋２邋Ｖｏｉｔｓｃｋｈｏｖｓｋｉｉ试验装置不意图逦图１．邋３拍摄结果以及流场结构图逡逑在同一时期，受美国爱德华空军基地的委托，美国密西根大学对旋转爆震发动机也逡逑进行了相关研宄和探索。Ａｄａｍｓｏｎ和Ｓｈｅｎ等人［２７－２８］首次对旋转爆震波应用于火箭推进装逡逑３逡逑

爱德华,爆震波

逦硕士论文逡逑置进行可行性验证，并设计了最早的ＲＤＥ实验装置。试验装置如图１．４，使用乙炔、乙烯逡逑和氢气等多种燃料，以氧气为氧化剂，点火装置为火花塞，采用了液体火箭发动机相类逡逑似的喷孔－喷孔对撞模式进行掺混喷注。但实验效果并不理想，虽然该发动机模型成功逡逑起爆并得到了旋转爆震波，但爆震波不能连续自持传播，在旋转一周后便消失。因此，逡逑在当时条件的限制下，美国停止了旋转爆震发动机的研究计划。逡逑＜邋－５．０８逦＾邋１．２７逡逑１逡逑氧化剂—？逦２邋＾逦Ｓ逡逑Ｌ＾＿Ｊ—＾＾‘逡逑图１．４爱德华实验基地ＲＤＥ实验结构图逡逑在早期，由于实验条件和研宄手段的限制，ＲＤＥ研究工作难度大，进展缓慢且取得逡逑的成果有限，此后ＲＤＥ研究在很长一段时间内都没有引起广泛关注。但随着实验条件和逡逑计算流体力学的发展以及众多学者坚持不懈的研究，为ＲＤＥ的研究打下了扎实的理论和逡逑实验基础

【参考文献】