采用等离子体强化含硼固冲发动机二次燃烧研究

发布时间：2017-09-09 05:01

  本文关键词：采用等离子体强化含硼固冲发动机二次燃烧研究

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【摘要】：为改善固冲发动机含硼富燃燃气的燃烧性能,本文基于等离子体助燃技术,提出等离子体强化含硼富燃燃气燃烧的概念,通过理论研究和实验研究相结合的方法验证了等离子体对含硼富燃燃气燃烧的强化作用,获得了等离子体对含硼富燃燃气燃烧的影响机理。本文主要工作及结论如下:(1)通过分析等离子体助燃含硼富燃燃气过程,建立了气固两相燃烧流动数学模型。该模型考虑了等离子体中活性基、激发态粒子、离子、电子以及其他中间产物与燃烧动力学之间的强烈耦合作用。(2)以一次燃气中的气相组分为研究对象,开展了不同空燃比的等离子体助燃实验研究,获得了等离子体对气相组分燃烧的影响规律。实验表明:在等离子体的作用下,实现了一次燃气中气相组分的可靠点火和稳定燃烧,气相组分燃烧效率提高12%以上;随着空燃比的增加,等离子体助燃效果略微降低;随着空气温度的提高,助燃效果显著增强。(3)以含硼一次燃气作为研究对象,开展了不同放电功率的等离子体助燃实验研究,获得了等离子体对含硼一次燃气燃烧的影响规律。实验表明:在等离子体的作用下,改变了燃气燃烧火焰结构,补燃室燃气点火位置提前,燃烧火焰面变大,高温反应区前移;加入等离子体后,含硼燃气燃烧效率提高5%以上;等离子体增加了燃气燃烧热的释放,增加的燃烧热与放电功率比值大约在6.5左右,改善了硼粒子的燃烧环境;随着放电功率的增加,等离子体助燃效果显著增强。(4)基于气固两相燃烧流动数学模型,对典型实验工况的等离子体助燃含硼一次燃气燃烧过程进行了数值仿真,分别研究了等离子体的热效应和化学效应对燃气燃烧的影响。数值仿真结果表明:等离子体有效的提高了燃气中OH、O等自由基的浓度,促进了含硼燃气和B的链式反应,缩短了含硼燃气燃烧时间,燃气反应更加充分,释放出了更多的燃烧热;含硼燃气中硼粒子的温度明显增加,点火位置提前,反应消耗加快,硼的燃烧效率得到提高。等离子体强化含硼富燃燃气燃烧可为固冲发动机的性能提升提供新的思路,研究结果可为等离子体助燃技术在固冲发动机中的应用提供参考和依据。
【关键词】：固冲发动机 含硼富燃燃气 等离子体 自由基 实验研究 数值仿真
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V435
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 等离子体助燃原理11-13
• 1.2.1 等离子体的定义和特点11-12
• 1.2.2 等离子体助燃原理12-13
• 1.3 含硼富燃燃气燃烧研究现状13-18
• 1.4 等离子体助燃技术国内外研究现状18-21
• 1.4.1 国外研究现状18-20
• 1.4.2 国内研究现状20-21
• 1.5 本文研究内容21
• 1.6 总体研究方案21-24
• 第二章 等离子体助燃含硼富燃燃气理论基础24-38
• 2.1 等离子体对含硼富燃燃气的助燃过程分析24
• 2.2 含硼富燃燃气流动和燃烧数学模型24-36
• 2.2.1 基本假设24-25
• 2.2.2 控制方程25-28
• 2.2.3 湍流模型28-29
• 2.2.4 气相燃烧模型29-31
• 2.2.5 凝聚相燃烧模型31-36
• 2.3 等离子体助燃动力学模型36-37
• 2.4 小结37-38
• 第三章 等离子体助燃含硼富燃燃气实验研究方案38-56
• 3.1 实验研究总体方案38-39
• 3.2 实验系统39-45
• 3.2.1 来流模拟系统40
• 3.2.2 参数测量系统一套（含温度、压力、推力传感器）40-41
• 3.2.3 燃烧装置41-43
• 3.2.4 等离子体产生系统43-44
• 3.2.5 高速摄影仪44-45
• 3.2.6 流量控制器45
• 3.3 总体设计参数确定45-50
• 3.3.1 典型实验参数46-47
• 3.3.2 模拟来流参数的确定47-48
• 3.3.3 燃气发生器设计参数的确定48-50
• 3.3.4 补燃室设计参数的确定50
• 3.4 混合燃气供给系统设计50-53
• 3.5 数据处理方法53
• 3.6 燃烧效率的表征53-54
• 3.7 小结54-56
• 第四章 等离子体助燃混合燃气实验研究56-68
• 4.1 实验方案56
• 4.2 实验工况56-57
• 4.3 实验结果57-64
• 4.3.1 数据处理方法57
• 4.3.2 典型工况下的实验现象和测量结果57-64
• 4.4 实验结果分析64-67
• 4.4.1 模拟空气来流64
• 4.4.2 燃气发生器压强64-65
• 4.4.3 补燃室压强65-67
• 4.4.4 扩散燃烧火焰拍摄结果分析67
• 4.5 小结67-68
• 第五章 等离子体助燃含硼一次燃气实验研究68-88
• 5.1 实验方案68
• 5.2 实验工况68-69
• 5.3 典型工况下实验现象69-72
• 5.4 实验结果72-81
• 5.5 实验结果分析81-86
• 5.5.1 模拟空气来流81
• 5.5.2 一次燃气喷射效率81
• 5.5.3 燃气发生器工作压强81-82
• 5.5.4 补燃室工作压强82-86
• 5.5.5 燃烧火焰拍摄结果分析86
• 5.6 小结86-88
• 第六章 等离子体助燃含硼富燃燃气数值仿真88-104
• 6.1 物理模型、网格及边界条件88-92
• 6.1.1 物理模型88-89
• 6.1.2 网格划分89-90
• 6.1.3 用户自定义函数UDF90
• 6.1.4 边界条件90-92
• 6.2 模拟结果分析92-102
• 6.2.1 活性粒子对燃烧过程的影响93-98
• 6.2.2 等离子体热效应对燃烧过程的影响98-101
• 6.2.3 等离子体对燃烧过程影响机理定性分析101-102
• 6.3 小结102-104
• 第七章 总结与展望104-108
• 7.1 总结104-105
• 7.2 本文的创新点105
• 7.3 后期工作展望105-108
• 参考文献108-114
• 致谢114-116
• 攻读硕士期间发表的学术论文和参加科研情况116-117

【参考文献】

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本文编号：818431