固体燃料超燃冲压发动机总体性能研究

发布时间：2017-07-29 03:07

  本文关键词：固体燃料超燃冲压发动机总体性能研究

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【摘要】：固体燃料超燃冲压发动机具有比冲高、结构简单、可靠性高、安全性好、响应速度快等优点,在未来的高超声速武器系统上具有广阔的应用前景。本文采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对固体燃料超燃冲压发动机一体化设计优化与总体性能分析进行了研究。结合理论分析方法完成了固体燃料超燃冲压发动机一体化基准构型设计,建立了固体燃料超燃冲压发动机工作过程的数值计算模型。为对比分析较低的高超声速条件下固体燃料超燃与亚燃冲压发动机的性能,采用数值计算方法模拟了飞行马赫数6、7、8时固体燃料超燃与亚燃冲压发动机的内流场。结果表明,当飞行马赫数为6时,由于粘性与斜激波的作用,超燃冲压发动机的总压优势较小。亚燃燃烧室燃烧效率更大,具有更大的燃烧放热量。飞行马赫数增大到7时,亚燃燃烧室的燃烧效率受产物离解限制,而超燃冲压发动机具有更大的燃烧效率与燃烧放热量,总体性能优于亚燃冲压发动机。采用数值模拟方法研究了进气道压缩比对燃烧室及发动机总体性能的影响。结果表明,在单独改变进气道外部转折角或内收缩比的情况下,随压缩比的增大,燃烧室的燃料质量流率下降,发动机的推力与比冲逐渐下降,其性能变化规律为进气道压缩程度与燃烧室入口面积扩张比共同作用的结果。在保持燃烧室入口面积不变的情况下,通过同时改变进气道外部转折角与内收缩比以获得不同的压缩比。随进气道外转折角增大,压缩比逐渐增大,发动机的推力与比冲由于总压损失的增大而逐渐下降。建立了固体燃料超燃冲压发动机一体化分析模型,采用工程预估方法计算飞行器气动特性,根据斜激波理论与准一维流动理论建立了推进系统性能分析模型,并根据试验数据与数值计算结果进行了对比验证。结合理论分析模型和数值模拟方法对固体燃料超燃冲压发动机进行设计优化研究。结果表明,燃烧室设计中应采用尽可能大的等直段长度与尽可能小的扩张角。当进气道增压比约为25时,对燃烧室进行优化设计后,发动机推力与比冲达到最优值。飞行器的推力与阻力系数同时随空燃比的减小而增大,0°攻角下当空燃比减小至11.5时飞行器的推阻比达到最大值。随攻角增大,最大推阻比所对应的空燃比逐渐增大。当攻角增大到8°时,空燃比取12.6时推阻比达到最大值。采用数值模拟方法研究了来流条件对固体燃料超燃冲压发动机总体性能的影响。分析表明,在飞行马赫数不变的情况下,随飞行高度的增加,燃料质量流率减小导致发动机推力与比冲下降。由于推力系数减小与阻力系数增大,发动机的推阻比随飞行高度的增大而减小。在保持动压不变的条件下,随飞行马赫数增大,推力系数与阻力系数总体呈下降趋势,推阻比在设计点Ma=6时取得最大值。
【关键词】：固体燃料超燃冲压发动机 理论模型 数值模拟 设计优化 总体性能
【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】：V23
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-20
• 第1章 绪论20-42
• 1.1 研究背景和意义20-25
• 1.2 固体燃料超燃冲压发动机研究综述25-40
• 1.2.1 固体燃料冲压发动机的应用发展现状25-28
• 1.2.2 固体燃料超燃冲压发动机试验研究28-31
• 1.2.3 固体燃料超燃冲压发动机理论研究31-35
• 1.2.4 固体燃料超燃冲压发动机构型设计研究35-38
• 1.2.4.1 进气道35-37
• 1.2.4.2 燃烧室37-38
• 1.2.4.3 尾喷管38
• 1.2.5 固体燃料超燃冲压发动机研制中的关键技术38-40
• 1.3 主要研究内容40-42
• 第2章 固体燃料超燃冲压发动机工作过程物理数学模型42-55
• 2.1 固体燃料超燃冲压发动机工作过程42-43
• 2.2 流动与燃烧计算模型43-51
• 2.2.1 基本假设43
• 2.2.2 流动控制方程43-46
• 2.2.3 湍流模型46-50
• 2.2.4 燃烧模型50-51
• 2.2.5 有限体积法51
• 2.3 固体燃料的退移速率模型51-52
• 2.4 计算验证52-54
• 2.5 本章小结54-55
• 第3章 固体燃料超燃与亚燃冲压发动机的性能对比55-83
• 3.1 固体燃料超燃与亚燃冲压发动机设计55-61
• 3.1.1 进气道56-61
• 3.1.1.1 外压缩段56-57
• 3.1.1.2 内收缩段57-59
• 3.1.1.3 隔离段59-60
• 3.1.1.4 进气道计算构型60-61
• 3.1.2 燃烧室/喷管61
• 3.2 计算边界及网格61-62
• 3.3 飞行马赫数6下的性能对比分析62-73
• 3.3.1 进气道流场分析63-65
• 3.3.2 燃烧室/喷管内流场分析65-72
• 3.3.3 总体性能对比72-73
• 3.4 飞行马赫数7下的性能对比分析73-77
• 3.5 飞行马赫数8下的性能对比分析77-79
• 3.6 固体燃料超燃冲压发动机初步实验研究79-81
• 3.7 本章小结81-83
• 第4章 进气道压缩比对发动机性能的影响83-103
• 4.1 计算模型及边界条件83-84
• 4.2 内收缩比对发动机性能的影响84-93
• 4.3 外部转折角对发动机性能的影响93-99
• 4.4 相同进气道出.面积下的压缩比对发动机性能的影响99-101
• 4.5 本章小结101-103
• 第5章 固体燃料超燃冲压发动机构型优化研究103-138
• 5.1 气动/推进耦合建模103-117
• 5.1.1 一体化算力体系103-104
• 5.1.2 空气动力模型104-108
• 5.1.2.1 无粘气动力特性计算104-108
• 5.1.2.2 摩擦阻力计算108
• 5.1.3 固体燃料超燃冲压发动机推力模型108-117
• 5.1.3.1 进气道109-110
• 5.1.3.2 隔离段110-111
• 5.1.3.3 燃烧室111-115
• 5.1.3.4 尾喷管115
• 5.1.3.5 计算验证115-117
• 5.2 燃烧室优化设计研究117-123
• 5.2.1 相同燃烧室总长度118-121
• 5.2.2 相同燃料流量121-123
• 5.3 进气道与燃烧室的匹配设计研究123-136
• 5.3.1 进气道压缩比与燃烧室的匹配特性123-130
• 5.3.1.1 进气道内外压缩比分配124-126
• 5.3.1.2 进气道压缩比优化126-130
• 5.3.2 空燃比的影响130-133
• 5.3.3 高马赫数下进气道/燃烧室匹配设计的初步研究133-136
• 5.4 本章小结136-138
• 第6章 固体燃料超燃冲压发动机适应性研究138-155
• 6.1 计算边界及网格138-139
• 6.2 飞行高度对发动机性能的影响139-147
• 6.3 飞行马赫数对发动机性能的影响147-153
• 6.4 本章小结153-155
• 第7章 总结与展望155-159
• 7.1 本文研究总结155-157
• 7.2 本文创新点157
• 7.3 未来工作展望157-159
• 参考文献159-170
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单170-171
• 致谢171

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本文编号：587187