碳氢燃料再生冷却超燃冲压发动机控制方法研究
发布时间：2021-04-14 16:39
碳氢燃料再生冷却超燃冲压发动机在长时间宽马赫工作过程中,控制系统必须时刻快速调整发动机的工作状态,以适应复杂的飞行任务,如加速、巡航、突防等。因此控制系统既要承担起改变发动机内部流动燃烧状态、控制发动机推力和施加保护控制的任务,又要具备快速响应性、良好的鲁棒性和稳定性,防止超温、不起动等,是一个多目标控制问题。针对再生冷却过程给发动机带来的特殊的超温问题、慢的动态响应问题以及模态转换问题,如何合理调节不同喷注位置的燃油量,保证发动机推力需求,实现安全高效运行至关重要。因此本文开展了如下几方面的研究工作:从控制系统研究的视角指出亟需一种能体现碳氢燃料再生冷却超燃冲压发动机分布参数特性的非稳态快速仿真计算模型。考虑燃气与壁面的热对流、壁面的热传导、壁面与冷却剂的热对流以及冷却剂的流动过程,建立了再生冷却计算模块。基于非定常准一维欧拉方程,建立了碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室计算模块。将再生冷却模块与燃烧室模块通过边界条件联结在一起,并采用C与Matlab混合编程,在Simulink平台上搭建了流动—燃烧—传热多过程耦合的一维快速仿真模型,通过非稳态与稳态计算仿真验证了一维耦合模型能够以较低的...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同类型发动机的性能特性[1]
工业大学工学博士学位论文-2-碳氢燃料仍有广泛的应用。随着飞行加速到高超声速状态，来流的高总焓与燃烧释放的大量热量使得超燃冲压发动机燃烧室部位热载荷十分严峻。以飞行马赫6为例，燃烧室中心流温度高达2500~3000K，壁面热流峰值可达3MW/m2，壁面根本无法承受如此高的热负荷[4]。为了在高超声速飞行条件下维持壁面温度在允许范围内，长时间工作的超燃冲压发动机必须采用热防护技术[5]。在燃料喷入燃烧室之前首先流经冷却通道用于冷却发动机壁面，然后注入燃烧室燃烧，类似于能量的再生利用，所以称之为再生冷却，图1-2展示了废热流出与能量再次注入燃烧室的传递过程。利用航空煤油等碳氢燃料作为冷却剂进行再生冷却，已被证明是长时间工作的吸气式高超声速飞行最有效和实用的冷却方法之一[6]。图1-2超燃冲压发动机再生冷却工作过程[7]Fig.1-2Operatingprocessofregenerativecoolingforscramjet[7]在碳氢燃料再生冷却超燃冲压发动机工作过程中，燃料流经冷却通道吸收来自高温燃气传给壁面的热量，降低发动机壁面温度的同时也降低了发动机性能，而燃料吸热裂解后热值增大，喷入燃烧室后掺混与燃烧效率增加，提升燃烧室性能的同时又增强了高温燃气向外界传热效果，这种反馈作用下的强耦合非线性会导致在沿程壁面热损失与燃烧释热变化共同作用下显现出特殊的发动机特性，并衍生出新的控制问题。并且碳氢燃料再生冷却超燃冲压发动机在长时间宽速域飞行过程中，控制系统必须时刻快速调整发动机的工作状态，以适应复杂的飞行任务，如加速、巡航、突防等。由此可见，需要一个能够揭示再生冷却带来的流动、燃烧和传热之间的动态耦合过程及相互作用的模型，并具有以较低的计算成本对燃烧室和冷却通道内非稳态流场综合快速预测的能力，并作为控
兀?ü??立求解混合气体方程、质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及气体状态方程，得到一维流场参数的稳态分布[33,34]。经过后续的不断完善，模型可以考虑燃料喷射、混合、化学反应、传热、粘性损失等因素的影响[35-37]，模型通过求解直接得到稳态流场结构与参数分布，因此计算耗时小，通过优化可降低至1~2s。由于在数值求解方法上难度较小，所以广泛应用于性能分析、燃烧室初期设计、控制研究以及高超声速飞行器飞推一体化研究中[38-42]。此外，Tian等人[43]将双模态超燃冲压发动机工作模态进行了详细的划分（如图1-4所示），并在隔离段内建立了一个强度可调的预燃激波串模型，模型能够非常准确地描述多种工作模态下的流动属性。然而，当发动机内流场主流区流速接近声速时，求解常微分方程存在数学奇点问题[44,45]。当考虑超声速与亚声速燃烧模态转换时，奇点问题是一个无法回避的复杂问题。图1-4双模态超燃冲压发动机整个工作过程示意图[43]Fig.1-4Sketchofthewholeprocessofthedual-modescramjetengine[43]此外无论是基于常微分还是偏微分方程，在求解燃烧过程中，可通过混合即燃烧的单步化学反应求解，也可采用复杂的多步化学反应求解。由于本文后续的控制研究需要采用计算耗时少、精度满足基本要求的降阶模型，所以此处不再对燃烧化
【参考文献】：
期刊论文
[1]增广预测模型的航空发动机多变量约束预测控制[J]. 杨思幸,鲁峰,黄金泉. 推进技术. 2019(11)
[2]基于μ综合的宽包线冲压发动机多变量鲁棒稳定控制研究[J]. 李岩,牟春晖,聂聆聪. 推进技术. 2019(06)
[3]高超声速超燃冲压发动机实时模型仿真研究[J]. 刘明磊,张海波. 航空动力学报. 2017(06)
[4]两种燃烧加热风洞参数匹配方案的比较[J]. 刘坤伟,朱雨建,杨基明,毛雄兵,吴颖川. 推进技术. 2017(06)
[5]涡轮冲压组合发动机模态转换多变量控制研究[J]. 聂聆聪,李岩,戴冬红,姜渭宇,侯营东,吴智锋. 推进技术. 2017(05)
[6]超燃冲压发动机推力控制系统仿真研究[J]. 崔曼曼,黄耀. 航空发动机. 2017(01)
[7]基于多目标控制的变体飞行器切换线性变参数控制器[J]. 何墉,章卫国,王敏文,杨立本,张颖. 控制理论与应用. 2015(11)
[8]航空发动机多变量变增益控制器设计及仿真[J]. 李嘉,李华聪,徐轩,王淑红. 北京航空航天大学学报. 2016(09)
[9]高超声速弯曲激波压缩侧压式进气道数值研究[J]. 张林,张堃元,王磊,王渊. 航空动力学报. 2015(02)
[10]Simplified procedure for controlling pressure distribution of a scramjet combustor[J]. Cui Tao. Chinese Journal of Aeronautics. 2014(05)
博士论文
[1]热裂解型碳氢燃料并联通道流量分配及偏差抑制研究[D]. 姜俞光.哈尔滨工业大学 2018
[2]中心支板燃烧室模态转换特性及其转换边界研究[D]. 张辰琳.哈尔滨工业大学 2018
[3]基于切换策略的航空发动机多目标控制设计[D]. 陈超.东北大学 2017
[4]超燃冲压发动机燃烧模态转换及其控制方法研究[D]. 曹瑞峰.哈尔滨工业大学 2016
[5]考虑飞/推耦合特性的超燃冲压发动机控制方法研究[D]. 姚照辉.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]含安全边界的TBCC组合发动机控制研究[D]. 马婧雪.哈尔滨工业大学 2018
[2]正癸烷高温裂解对其燃烧性能的影响研究[D]. 刘文超.哈尔滨工业大学 2016
[3]支板/壁面燃油分配对超声速燃烧室燃烧性能的影响[D]. 张军龙.哈尔滨工业大学 2015
[4]超燃冲压发动机燃烧室性能影响因素的对比分析[D]. 马继承.哈尔滨工程大学 2015
[5]超燃冲压发动机推力控制系统设计[D]. 高耸.哈尔滨工业大学 2010
[6]超燃冲压发动机最大推力稳态优化控制方法研究[D]. 和舒.哈尔滨工业大学 2008
[7]冲压发动机推力控制系统研究[D]. 杨朗.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3137656
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同类型发动机的性能特性[1]
工业大学工学博士学位论文-2-碳氢燃料仍有广泛的应用。随着飞行加速到高超声速状态，来流的高总焓与燃烧释放的大量热量使得超燃冲压发动机燃烧室部位热载荷十分严峻。以飞行马赫6为例，燃烧室中心流温度高达2500~3000K，壁面热流峰值可达3MW/m2，壁面根本无法承受如此高的热负荷[4]。为了在高超声速飞行条件下维持壁面温度在允许范围内，长时间工作的超燃冲压发动机必须采用热防护技术[5]。在燃料喷入燃烧室之前首先流经冷却通道用于冷却发动机壁面，然后注入燃烧室燃烧，类似于能量的再生利用，所以称之为再生冷却，图1-2展示了废热流出与能量再次注入燃烧室的传递过程。利用航空煤油等碳氢燃料作为冷却剂进行再生冷却，已被证明是长时间工作的吸气式高超声速飞行最有效和实用的冷却方法之一[6]。图1-2超燃冲压发动机再生冷却工作过程[7]Fig.1-2Operatingprocessofregenerativecoolingforscramjet[7]在碳氢燃料再生冷却超燃冲压发动机工作过程中，燃料流经冷却通道吸收来自高温燃气传给壁面的热量，降低发动机壁面温度的同时也降低了发动机性能，而燃料吸热裂解后热值增大，喷入燃烧室后掺混与燃烧效率增加，提升燃烧室性能的同时又增强了高温燃气向外界传热效果，这种反馈作用下的强耦合非线性会导致在沿程壁面热损失与燃烧释热变化共同作用下显现出特殊的发动机特性，并衍生出新的控制问题。并且碳氢燃料再生冷却超燃冲压发动机在长时间宽速域飞行过程中，控制系统必须时刻快速调整发动机的工作状态，以适应复杂的飞行任务，如加速、巡航、突防等。由此可见，需要一个能够揭示再生冷却带来的流动、燃烧和传热之间的动态耦合过程及相互作用的模型，并具有以较低的计算成本对燃烧室和冷却通道内非稳态流场综合快速预测的能力，并作为控
兀?ü??立求解混合气体方程、质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及气体状态方程，得到一维流场参数的稳态分布[33,34]。经过后续的不断完善，模型可以考虑燃料喷射、混合、化学反应、传热、粘性损失等因素的影响[35-37]，模型通过求解直接得到稳态流场结构与参数分布，因此计算耗时小，通过优化可降低至1~2s。由于在数值求解方法上难度较小，所以广泛应用于性能分析、燃烧室初期设计、控制研究以及高超声速飞行器飞推一体化研究中[38-42]。此外，Tian等人[43]将双模态超燃冲压发动机工作模态进行了详细的划分（如图1-4所示），并在隔离段内建立了一个强度可调的预燃激波串模型，模型能够非常准确地描述多种工作模态下的流动属性。然而，当发动机内流场主流区流速接近声速时，求解常微分方程存在数学奇点问题[44,45]。当考虑超声速与亚声速燃烧模态转换时，奇点问题是一个无法回避的复杂问题。图1-4双模态超燃冲压发动机整个工作过程示意图[43]Fig.1-4Sketchofthewholeprocessofthedual-modescramjetengine[43]此外无论是基于常微分还是偏微分方程，在求解燃烧过程中，可通过混合即燃烧的单步化学反应求解，也可采用复杂的多步化学反应求解。由于本文后续的控制研究需要采用计算耗时少、精度满足基本要求的降阶模型，所以此处不再对燃烧化
【参考文献】：
期刊论文
[1]增广预测模型的航空发动机多变量约束预测控制[J]. 杨思幸,鲁峰,黄金泉. 推进技术. 2019(11)
[2]基于μ综合的宽包线冲压发动机多变量鲁棒稳定控制研究[J]. 李岩,牟春晖,聂聆聪. 推进技术. 2019(06)
[3]高超声速超燃冲压发动机实时模型仿真研究[J]. 刘明磊,张海波. 航空动力学报. 2017(06)
[4]两种燃烧加热风洞参数匹配方案的比较[J]. 刘坤伟,朱雨建,杨基明,毛雄兵,吴颖川. 推进技术. 2017(06)
[5]涡轮冲压组合发动机模态转换多变量控制研究[J]. 聂聆聪,李岩,戴冬红,姜渭宇,侯营东,吴智锋. 推进技术. 2017(05)
[6]超燃冲压发动机推力控制系统仿真研究[J]. 崔曼曼,黄耀. 航空发动机. 2017(01)
[7]基于多目标控制的变体飞行器切换线性变参数控制器[J]. 何墉,章卫国,王敏文,杨立本,张颖. 控制理论与应用. 2015(11)
[8]航空发动机多变量变增益控制器设计及仿真[J]. 李嘉,李华聪,徐轩,王淑红. 北京航空航天大学学报. 2016(09)
[9]高超声速弯曲激波压缩侧压式进气道数值研究[J]. 张林,张堃元,王磊,王渊. 航空动力学报. 2015(02)
[10]Simplified procedure for controlling pressure distribution of a scramjet combustor[J]. Cui Tao. Chinese Journal of Aeronautics. 2014(05)
博士论文
[1]热裂解型碳氢燃料并联通道流量分配及偏差抑制研究[D]. 姜俞光.哈尔滨工业大学 2018
[2]中心支板燃烧室模态转换特性及其转换边界研究[D]. 张辰琳.哈尔滨工业大学 2018
[3]基于切换策略的航空发动机多目标控制设计[D]. 陈超.东北大学 2017
[4]超燃冲压发动机燃烧模态转换及其控制方法研究[D]. 曹瑞峰.哈尔滨工业大学 2016
[5]考虑飞/推耦合特性的超燃冲压发动机控制方法研究[D]. 姚照辉.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]含安全边界的TBCC组合发动机控制研究[D]. 马婧雪.哈尔滨工业大学 2018
[2]正癸烷高温裂解对其燃烧性能的影响研究[D]. 刘文超.哈尔滨工业大学 2016
[3]支板/壁面燃油分配对超声速燃烧室燃烧性能的影响[D]. 张军龙.哈尔滨工业大学 2015
[4]超燃冲压发动机燃烧室性能影响因素的对比分析[D]. 马继承.哈尔滨工程大学 2015
[5]超燃冲压发动机推力控制系统设计[D]. 高耸.哈尔滨工业大学 2010
[6]超燃冲压发动机最大推力稳态优化控制方法研究[D]. 和舒.哈尔滨工业大学 2008
[7]冲压发动机推力控制系统研究[D]. 杨朗.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3137656
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