固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作特性研究

发布时间：2017-09-17 12:10

  本文关键词：固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作特性研究

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【摘要】：固体燃料超燃冲压发动机以其结构相对简单、易于存储、反应迅即的天然优势，在高超声速推进领域具有广阔的应用前景。固体超燃冲压发动机一般由进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管等几部分组成，其中燃烧室是提供推力的主动部件。由于在超声速来流条件下工作，固体燃料超燃冲压发动机中燃烧室工作过程是一个高速、非稳态、湍流、固体燃料热解与燃烧等复杂的物理化学过程。燃烧室的性能对超燃冲压发动机研制的成败起决定性作用，燃烧室性能的优劣，最终决定了超燃冲压发动机能否走向工程应用。因此，研究固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的工作特性并掌握其性能变化规律具有十分重要的意义。 为了研究固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的工作性能及其变化规律，本文建立了固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程的物理数学模型。采用自定义函数方法定义固体燃料燃面退移速率，并针对固体燃料在超声速来流下燃烧的特点，选用SST k-ω湍流模型对二维轴对称可压的Navier-Stokes方程进行封闭，燃烧模型采用联合有限速率模型和涡耗散模型（Finite-Rate/Eddy-Dissipation）。运用该模型对经典固体燃料超燃冲压发动机燃烧室进行了稳态的数值模拟，并将数值模拟结果与实验结果进行了燃烧室壁面压力和固体燃料退移速率的对比，证明了该数学模型的合理性和准确性。通过分别改变燃烧室结构参数和燃烧室入口气流参数，对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的工作过程进行了稳态的数值模拟，并分析了各项参数对燃烧室性能的影响。为了进一步准确的研究超声速流动下固体燃料燃面退移对燃烧室内流动和性能的影响，对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程进行准稳态的数值模拟。最后在搭建的完成的小型直连式固体燃料超燃冲压发动机试车台上成功进行了燃烧室点火实验。 本文利用固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程的物理数学模型，分别对燃烧室火焰稳定段/凹腔段、等直段和扩张段的结构参数对燃烧室工作性能的影响进行研究。首先，分析无化学反应时在超声速来流下固体燃料凹腔结构对燃烧室流动的影响，研究发现有凹腔结构的燃烧室中在凹腔内形成了亚声速回流区，凹腔在很大程度上加强燃料与来流气体的掺混。虽然存在一个最佳的凹腔结构使得掺混效率达到最大值，但凹腔的存在也会一定程度上增大总压损失。接着，在有化学反应条件下分析不同等直段和扩张段结构参数对燃烧室性能的影响，研究发现在保证固体燃料超燃冲压发动机燃烧室处于非壅塞状态的前提下，等直段长度占燃烧室总长的比例越大越好，增大等直段的长度要比增大扩张段长度对提升燃烧室各项性能有帮助。粗长等直段的燃烧室比细短等直段的燃烧室有更大的做功潜力。在没有固定喷管时，扩张段扩张比的选取应尽量使得气流得到完全膨胀。 在不同入口气流参数对燃烧室性能影响的研究中发现，随着入口空气质量流量的增大，燃烧室内压强增大，燃料退移速率增大。燃烧室燃烧效率减小，总压损失有所减小的，燃烧室推力和比冲均增大。对于入口空气总温变化时，燃烧室性能的改变与入口空气质量流量变化时情况相似。随着入口空气总压的增大，燃烧室内压强增大，燃料退移速率略微增大基本保持不变，燃烧室燃烧效率增大，总压损失显著增大，燃烧室推力和比冲均减小。根据入口参数及燃烧室结构尺寸参数对燃烧室性能影响的敏感度分析可知，对燃烧效率影响较大的因素是入口空气总温及等直段直径，对总压损失影响最大的因素是入口空气质量流量、入口空气总压、等直段直径及扩张段长度。 本文进行了固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程的准稳态数值模拟，，研究发现燃烧室工作的初始时刻燃烧室处于壅塞状态，燃烧室工作的中后期，流场结构稳定，主流区存在激波串，燃烧室内流动复杂。燃烧室工作过程中燃烧效率逐渐增大，待燃烧流场稳定后，燃烧效率基本稳定在80%左右。沿燃烧室壁面压力以及沿中心轴线上压力均随时间的变化而减小，燃面退移速率也随时间而逐渐减小。燃烧室推力和比冲随时间而逐渐减小。 最后，在近期搭建完成的小型直连式固体燃料超燃冲压发动机试车台上成功完成了燃烧室的点火实验。
【关键词】：固体燃料超燃冲压发动机 数值模拟 流场特性 燃烧室性能 直连式试车台
【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】：V435
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-13
• 图目录13-17
• 表目录17-19
• 主要符号表19-21
• 第1章 绪论21-37
• 1.1 研究目的和意义21-24
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势24-34
• 1.2.1 超燃冲压发动机发展概况24-26
• 1.2.2 固体燃料超燃冲压发动机的实验研究26-28
• 1.2.3 固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的理论研究28-30
• 1.2.4 固体燃料超燃冲压发动机推进剂的研究30-31
• 1.2.5 固体燃料超燃冲压发动机燃烧室研究的关键技术与发展趋势31-34
• 1.2.6 固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作特性研究现状34
• 1.3 本文主要研究内容34-35
• 1.4 论文章节和结构安排35-37
• 第2章 固体燃料超燃冲压发动机工作过程物理数学模型及算例验证37-58
• 2.1 引言37-38
• 2.2 物理模型38
• 2.3 控制方程和基本假设38-42
• 2.4 湍流模型42-45
• 2.5 固体燃料燃速退移模型45-47
• 2.5.1 固体燃料热解及化学反应模型45-46
• 2.5.2 固体燃料的燃料退移速率模型46-47
• 2.6 湍流燃烧模型47-48
• 2.7 控制方程的数值模型及求解方法48-50
• 2.7.1 离散方法49-50
• 2.7.2 离散格式50
• 2.7.3 求解方法50
• 2.8 算例验证50-57
• 2.8.1 无化学反应时超声速下流动的验证50-53
• 2.8.2 有化学反应时固体燃料超声速燃烧室的算例验证53-57
• 2.9 小结57-58
• 第3章 无化学反应时超声速来流下固体燃料凹腔结构对流动的影响58-71
• 3.1 引言58-59
• 3.2 数值计算条件59-61
• 3.2.1 物理模型59
• 3.2.2 数值计算方法及边界条件59-60
• 3.2.3 燃烧室结构参数汇总60-61
• 3.3 计算结果分析61-70
• 3.3.1 有无凹腔结构的燃烧室内流场特性分析61-65
• 3.3.2 不同深度凹腔的燃烧室内流场特性分析65-67
• 3.3.3 不同凹腔尺寸对燃烧室内掺混效率的影响67-68
• 3.3.4 不同凹腔尺寸对燃烧室总压损失的影响68-70
• 3.4 小结70-71
• 第4章 不同结构尺寸固体燃料超声速燃烧室性能研究71-98
• 4.1 引言71
• 4.2 数值计算条件71-74
• 4.2.1 物理模型71-72
• 4.2.2 数值计算方法及边界条件72-73
• 4.2.3 燃烧室结构参数汇总73-74
• 4.3 等直段直径对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响74-84
• 4.3.1 燃烧室流动分布74-78
• 4.3.2 燃烧室组份分布及燃烧效率78-81
• 4.3.3 燃烧室总压损失81-82
• 4.3.4 燃烧室推力及比冲82-84
• 4.4 等直段长度对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响84-89
• 4.4.1 燃烧室流动分布84-87
• 4.4.2 燃烧室燃烧效率分析87-88
• 4.4.3 燃烧室总压损失分析88
• 4.4.4 燃烧室推力及比冲88-89
• 4.5 扩张段对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响89-92
• 4.5.1 燃烧室燃速分析91
• 4.5.2 燃烧室性能分析91-92
• 4.6 燃烧室结构的设计准则92-97
• 4.6.1 等直段的影响分析92-95
• 4.6.2 燃烧效率与总压损失的权衡95-96
• 4.6.3 燃烧室设计准则96-97
• 4.7 小结97-98
• 第5章 入口参数对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响98-117
• 5.1 引言98
• 5.2 数值计算条件98-99
• 5.2.1 物理模型98
• 5.2.2 数值计算方法及边界条件98-99
• 5.3 计算结果分析99-112
• 5.3.1 入口空气质量流量的影响99-104
• 5.3.2 入口空气总温的影响104-108
• 5.3.3 入口空气总压的影响108-112
• 5.4 燃烧效率和总压损失的影响因素112-115
• 5.4.1 燃烧室入口参数的敏感度分析112-114
• 5.4.2 燃烧室结构尺寸参数的敏感度分析114-115
• 5.5 小结115-117
• 第6章 固体燃料超燃冲压发动机燃烧室流场准稳态模拟与初步实验117-140
• 6.1 引言117-118
• 6.2 模型和计算条件118-120
• 6.2.1 物理模型118
• 6.2.2 平行层燃烧规律118-120
• 6.2.3 数值计算方法及边界条件120
• 6.3 固体燃料超燃冲压发动机燃烧室流场准稳态模拟结果分析120-132
• 6.3.1 燃烧室流动分布120-125
• 6.3.2 燃烧室壁面压力125-127
• 6.3.3 固体燃料燃面退移速率127-129
• 6.3.4 燃烧室燃烧效率129-131
• 6.3.5 燃烧室总压损失131-132
• 6.3.6 燃烧室推力及比冲132
• 6.4 直连式实验系统132-138
• 6.4.1 空气加热器133-134
• 6.4.2 气体及冷却水供应系统134-135
• 6.4.3 控制及数据采集系统135
• 6.4.4 燃烧室点火实验135-138
• 6.5 小结138-140
• 第7章 结论140-145
• 7.1 本文研究总结140-143
• 7.2 本文创新点143
• 7.3 进一步工作展望143-145
• 参考文献145-153
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单153-154
• 致谢154-155
• 作者简介155

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 夏强;固体燃料冲压发动机工作过程研究[D];南京理工大学;2011年

2 刘巍;固体燃料冲压发动机燃烧组织技术研究[D];国防科学技术大学;2010年

本文编号：869314