进口畸变条件下的高效冲压燃烧技术研究

发布时间：2017-09-29 13:08

  本文关键词：进口畸变条件下的高效冲压燃烧技术研究

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【摘要】：冲压发动机与传统的发动机相比,省去了压气机、涡轮等旋转部件,因而具备结构简单、质量小、成本低、飞行速度快等特点深受各国研究人员的重视。燃烧室是冲压发动机的核心部件,冲压燃烧室进口来流速度很高,油气的掺混很困难,设计性能良好的火焰稳定器,提高燃油的驻留时间和油气的掺混效果对冲压燃烧室而言是非常重要的。本文根据阻塞比0?和火焰稳定性参数stK以及内稳定器的结构参数等,最终确定了值班火焰稳定器设计规律。首先根据沃尔沃(Volvo)燃烧验证实验台对标准的k??模型方法的准确性进行校验,对比发现数值模拟方法有一定的准确性。对二维稳定器裙部设计方案进行优选、内部流场性能进行了研究,通过对回流区的涡心位置、速度场、压力场和温度场的分布情况,发现:进口速度马赫数在0.3以下,回流区速度的大小和涡的强度主要受进口速度大小的影响,回流区的涡心位置与进口速度的大小无关,进口速度不影响稳定器后的涡心位置分布,对于冷态涡心位置只与稳定器结构和回流区的相互作用有关,对于热态还要受高温高压燃气的挤压作用;速度xV极值点的轴向位置与回流区涡心轴向位置所在截面重合。对稳定器齿型槽的结构和供油系统进行设计和研究,阻塞比0?相同时,齿型槽的倾角?越大,稳定器的燃烧效率越好;在普通齿型槽的基础上,采用两层喷嘴的设计方案的燃烧效率要比单层分布的高出10%。本文引入速度不均匀度?来描述进口气流的不均匀程度,进口气流以正弦波形式流入燃烧室,研究进口畸变条件下,对值班火焰稳定器性能的影响,以及齿型槽两侧流向涡的产生机理和流向涡对油气的掺混作用进行了研究。研究发现:进口存在畸变是通过改变稳定器的油气匹配,使油气分布偏离预定的油气比,影响燃烧效率;采用独立供油系统的稳定器,内部油气分布受外界干扰小,增强了稳定器对进口畸变气流的抵抗作用,提高了燃烧效率;稳定器对进口沿XZ平面分布的畸变速度抵抗能力较强,对沿XY平面分布的畸变速度抵抗能力较弱;由于齿型槽的对称结构,在齿型槽内、外流的两侧都产生了一对涡量大小相同,方向相反的流向涡,在槽同侧位置流向涡方向是相同的,流向涡不仅对油气有很好掺混效果,还提高了稳定器对进口沿XY平面分布的畸变速度的抵抗能力。
【关键词】：值班火焰稳定器 回流区 进口速度畸变 油气匹配 流向涡 燃烧效率
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V231.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-16
• 注释表16-17
• 缩略词17-18
• 第一章 绪论18-26
• 1.1 研究背景及意义18-20
• 1.2 国内外研究现状20-24
• 1.2.1 国内外对燃烧室流场与进气道出口流场匹配的研究现状20-21
• 1.2.2 国内外对燃料与空气掺混技术的研究现状21-23
• 1.2.3 国内外对火焰稳定器的研究进展23-24
• 1.3 存在的问题24
• 1.4 本文主要的研究目标和内容24-26
• 第二章 火焰稳定器数值模拟方法研究26-40
• 2.1 数值模拟方法的基本理论26-30
• 2.1.1 标准k -ε 数值模拟方法的简单介绍27
• 2.1.2 对标准k -ε数值模拟方法进行校验27-30
• 2.2 燃烧模型反应速率对火焰前锋的影响30-34
• 2.2.1 反应参数不变时火焰前锋随进口速度的变化情况30-31
• 2.2.2 反应参数改变时火焰前锋随进口速度的变化情况31-32
• 2.2.3 火焰前锋与反应速率的关系32-34
• 2.2.4 火焰前锋发生变化的根本原因34
• 2.3 对LES计算方法的研究和应用34-39
• 2.3.1 大涡模拟理论的简单介绍34-36
• 2.3.2 大涡模拟在冷态数值模拟的应用36-37
• 2.3.3 LES得到的瞬态场的速度流线分布和Q-criterion卡门涡街37-38
• 2.3.4 LES得到的压力和速度的平均流场38
• 2.3.5 数值模拟结果与实验的校验38-39
• 2.3.6 LES在热态数值模拟的应用39
• 2.4 本章小结39-40
• 第三章 值班火焰稳定器方案设计和优化40-62
• 3.1 值班稳定器的设计方法40-45
• 3.1.1 稳定器的设计思路40
• 3.1.2 阻塞比ε_0和稳定性参数K_(st)的内在联系40-41
• 3.1.3 内稳定器的夹角α_0 和长度L的设计41-42
• 3.1.4 内稳定器前缘半径的设计方法42-43
• 3.1.5 外部稳定器形状及尺寸的设计43-44
• 3.1.6 阻塞比ε_0的校正44
• 3.1.7 稳定器供油方案的设计44-45
• 3.2 多方案火焰稳定器的优选和性能分析45-55
• 3.2.1 值班火焰稳定器裙部的初步设计方案45-46
• 3.2.2 火焰稳定器冷态和热态流场的分析46-47
• 3.2.3 冷、热态回流区涡心位置的统计方法47-48
• 3.2.4 不同稳定器裙部长度的设计方案48
• 3.2.5 对四种稳定器方案涡心位置进行对比分析48-49
• 3.2.6 外稳定器裙部长度相同，内裙长度不同时49-50
• 3.2.7 内部稳定器裙部长度相同，外裙长度不同时50
• 3.2.8 四种不同稳定器冷、热态的轴向速度V_x分布50-52
• 3.2.9 Ma=0.2 时冷热态四种不同稳定器的轴向速度V_x分布52-53
• 3.2.10 稳定器后的静压分布53-54
• 3.2.11 稳定器后的温度分布54
• 3.2.12 值班火焰稳定器优化方案的确定54-55
• 3.3 对CASE3 方案火焰稳定器的研究55-61
• 3.3.1 冷、热态V_x速度场的分析57-58
• 3.3.2 冷、热态压力的分布曲线58-60
• 3.3.3 热态温度场的分析60-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第四章 齿型后缘火焰稳定器方案设计和研究62-77
• 4.1 齿型后缘稳定器方案设计62-66
• 4.1.1 不同齿型槽后缘倾角的方案的性能对比63-65
• 4.1.2 不同齿型槽结构方案的性能对比65-66
• 4.2 三维槽稳定器的静压对比66-68
• 4.3 稳定器供油系统的方案设计68-75
• 4.3.1 不同内稳定器供油量对燃烧性能的影响69-70
• 4.3.2 主流路供油量不同对燃烧效率的影响70-71
• 4.3.3 不同喷油速度对燃烧性能的影响71-72
• 4.3.4 改变主流区燃油的喷射位置72-74
• 4.3.5 喷油点不同供油量的性能对比74-75
• 4.4 本章小结75-77
• 第五章 进口畸变气流对稳定器性能的影响77-94
• 5.1 进口不均匀速度分布研究77-79
• 5.1.1 速度不均匀度的定义77
• 5.1.2 燃烧室进口畸变气流的速度分布77-79
• 5.2 进口畸变条件下的数值模拟79-88
• 5.2.1 马赫数Ma为 0.3 条件下的进口畸变速度模拟79-80
• 5.2.2 进口马赫数为 0.3，畸变速度对油气分布和温度场的影响80-82
• 5.2.3 Ma为 0.3， a 为 1.2 时，，畸变速度在对称面处的速度分布82-83
• 5.2.4 马赫数Ma为 0.2 条件下的进口畸变数值模拟83-85
• 5.2.5 进口畸变条件下回流区涡心位置分布85-86
• 5.2.6 三维有/无齿型槽稳定器的燃烧效率对比86-88
• 5.3 稳定器流向涡的结构特性88-93
• 5.3.1 流向涡的演变过程89
• 5.3.2 流向涡的分布89-90
• 5.3.3 流向涡产生的原因90
• 5.3.4 流向涡的方向判定90-91
• 5.3.5 流向涡的强度分析91
• 5.3.6 齿型槽内流流向涡的变化91-92
• 5.3.7 齿型槽内流流向涡的大小变化92-93
• 5.4 本章小结93-94
• 第六章 总结与展望94-96
• 6.1 全文总结94-95
• 6.2 展望与建议95-96
• 参考文献96-99
• 致谢99-100
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文100

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1 王家骅;一个预燃式火焰稳定器的稳定机理研究[J];工程热物理学报;1981年04期

2 顾洁伟,王应时,高丽君,张长梅;V型火焰稳定器上、下游可压缩湍流场的理论与实验研究[J];工程热物理学报;1985年02期

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本文编号：942170