非预混喷注条件下旋转爆震发动机三维数值研究

发布时间：2017-09-03 07:06

  本文关键词：非预混喷注条件下旋转爆震发动机三维数值研究

  更多相关文章： 旋转爆震 流场结构 掺混 喷注方式 发动机性能 数值模拟

【摘要】：旋转爆震发动机是一种基于爆震燃烧形式的新型发动机。不仅具有脉冲爆震发动机的热循环效率高、爆震燃烧产物的污染小等优点,而且只需单次点火即可连续工作并产生稳定的推力,具有非常广阔的前景。本文的主要研究内容是通过数值模拟研究非预混喷注条件下旋转爆震发动机的工作特性。主要进行了以下工作：(1)基于理想气体假设,采用高精度高分辨迎风通量分裂格式(AUSMPW+),时间项采用四步龙格-库塔法,求解三维雷诺时均N-S方程。对旋转爆震发动机燃料与氧化剂进行冷流掺混的三维数值研究。根据数值模拟结果,详细阐述了燃料与氧化剂冷流掺混的流场特性,对比分析了不同喷注结构(喷注位置、喷注角度、单双侧喷注)及不同的计算工况(质量流率、出口反压、当量比)等因素对三维冷流流场及掺混的影响,并利用掺混度定量评价了气气掺混的程度。研究结果表明：随着H2喷注位置的前移,掺混效果有明显提高；喷注角度的改变对H2/Air的掺混效果有很大的影响,其中逆喷的掺混效果相对较好；对单侧孔或双侧孔喷注而言,双侧孔喷注方式的掺混效果明显高于单侧孔喷注方式；在本文给定的计算参数条件下,对于同一喷注结构,掺混效果随着入口质量流率的增大而降低；提高出口反压,能提高掺混效果,当量比对掺混度的影响较小,随着当量比的提高,掺混效果稍有提高,但提高幅度非常小。(2)基于理想气体假设,忽略粘性、热传导、扩散等输运效应,采用高精度高分辨迎风通量分裂格式(AUSMPW+),时间项采用四步龙格-库塔法,加入7组分8步基元反应,求解带化学反应的三维Euler方程。对非预混条件下的旋转爆震发动机工作过程进行三维的数值研究。深入分析了非预混条件下的旋转爆震波流场结构,结合冷流掺混特性,探讨了燃料喷注方式及不同的计算工况等因素对发动机性能的影响。研究结果表明：本文所用方法可有效模拟燃料与氧化剂非预混喷注的旋转爆震波流场,在给定的计算参数下,随着燃料喷注位置的前移,发动机性能明显提高；燃料喷注角度对发动机性能影响较小,随着喷注角度的减小,发动机性能逐渐提高,提高幅度较小；燃料双侧喷注的性能明显优于单侧喷注。旋转爆震发动机的性能与燃料／氧化剂的冷流掺混效果成正比。在保证其他参数不变情况下,随着入口质量流率的提高,发动机推进性能明显提高,爆震波的高度先逐渐增大后减小；随着外界反压的增大,发动机的平均推力、基于混合物的比冲及爆震波高度逐渐减小,发动机的传播速度逐渐提高；随着当量比的提高,发动机的推力、比冲及爆震波传播速度逐渐提高,但提高幅度逐渐减小,爆震波的高度基本不变。
【关键词】：旋转爆震 流场结构 掺混 喷注方式 发动机性能 数值模拟
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V430
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 1 绪论14-25
• 1.1 旋转爆震发动机的研究背景与意义14-15
• 1.2 RDE的国内外的研究现状15-23
• 1.2.1 RDE的早期的探索研究15-16
• 1.2.2 RDE的实验的研究现状16-21
• 1.2.3 RDE的理论数值研究现状21-23
• 1.3 非预混喷注条件下RDE三维数值研究的必要性23
• 1.4 本文的主要研究内容23-25
• 2 旋转爆震发动机冷流掺混特性的数值研究25-51
• 2.1 数值模拟方法25-27
• 2.1.1 控制方程25-26
• 2.1.2 湍流流动模型26-27
• 2.2 物理模型27-29
• 2.3 边界条件29
• 2.4 网格划分29-30
• 2.5 计算结果与分析30-49
• 2.5.1 不同燃料喷注位置的结果分析30-34
• 2.5.2 不同燃料喷注角度的结果分析34-38
• 2.5.3 单侧孔、双侧孔对撞及双侧孔交错喷注的流场特点及掺混特性分析38-41
• 2.5.4 质量流率对燃料与氧化剂冷流掺混影响的结果分析41-44
• 2.5.5 出口反压对燃料与氧化剂冷流掺混影响的结果分析44-47
• 2.5.6 当量比对燃料与氧化剂冷流掺混影响的结果分析47-49
• 2.6 本章小结49-51
• 3 非预混喷注的旋转爆震发动机流场分析51-63
• 3.1 数值模拟方法51-53
• 3.1.1 控制方程51-52
• 3.1.2 求解方法52
• 3.1.3 边界条件52-53
• 3.2 数值验证53-55
• 3.2.1 守恒定律53-54
• 3.2.2 爆震波的结构及传播特性54-55
• 3.3 计算结果分析55-62
• 3.3.1 非预混条件下旋转爆震的三维流场结构55-57
• 3.3.2 非预混条件下旋转爆震的周向、轴向及径向流场结构分析57-62
• 3.4 本章小结62-63
• 4 旋转爆震发动机工作特性的数值研究63-83
• 4.1 初始条件及边界条件63-64
• 4.2 不同喷注结构发动机的计算结果分析64-72
• 4.2.1 不同燃料喷注位置的特性分析65-67
• 4.2.2 不同燃料喷注角度的特性分析67-69
• 4.2.3 单侧孔、双侧孔喷注的特性分析69-71
• 4.2.4 不同结构的发动机性能与冷流掺混特性对比分析71-72
• 4.3 计算工况对发动机性能影响的计算结果分析72-82
• 4.3.1 入口质量流率对发动机性能影响结果分析72-76
• 4.3.2 外界反压对发动机性能影响结果分析76-79
• 4.3.3 当量比对发动机性能影响结果分析79-82
• 4.4 本章小结82-83
• 5 结论及展望83-85
• 5.1 本文的主要工作及结论83-84
• 5.2 本文创新点84
• 5.3 展望84-85
• 致谢85-86
• 参考文献86-93
• 附录93

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本文编号：783533