煤油双模态冲压发动机燃烧室工作过程研究

论文摘要

本文采用理论、试验与数值仿真相结合的手段,对煤油在超声速气流中的火焰传播与扩散、火焰维持、稳定燃烧过程以及燃烧室工作过程进行了深入研究,然后应用这些研究成果对双模态冲压发动机构型进行改进,设计了多凹腔构型发动机,并对此发动机的燃烧性能以及工况转换过程进行了直连式和自由射流试验研究,取得了很多有意义的成果。研究了不同点火方式下煤油在超声速气流中的火焰传播与火焰维持等过程,发现在点火阶段,燃烧室内存在火焰加速传播过程,并且火焰可以在超燃燃烧室内实现逆流传播。实验还发现超燃燃烧室内的着火区域由回流区内的亚声速维持火焰与超声速主流中的扩散火焰组成。对目前广泛采用的超燃流场一维分析模型进行了总结与分析,指出了模型存在的不足,提出了适合强预燃激波条件下的一维分析模型,并在直连式试验中得到了验证,准确度较高。进一步分析和总结了绝热的双流管拟正激波无波模型,将计算结果与一维分析模型结果进行对比,指出了不同面积分布率一维模型计算结果的本质。最后通过改进,提出了一种带加热的拟正激波无波模型,通过仿真计算,指出了一维模型参数计算准确性的相关问题,加深了对超声速燃烧流场的理解。进行了多个凹腔间的相互作用机理研究,发现采用多凹腔构型总体上可以提高液体煤油的燃烧效率。根据研究结果设计了多凹腔构型发动机,并在直连式试验系统上,进行了Ma=4、5、6三种条件下的燃烧性能试验,实现了多种燃烧模态,验证了多凹腔构型双模态发动机的优越性,得出了提高发动机燃烧性能的方法。基于直连式试验系统,进行了模态转换相关技术的试验工作,实现了多种模拟条件下的工况转换过程,并进行了模态转换前后的发动机性能对比。将以上研究成果应用于实际单模块双模态冲压发动机的设计与自由射流试验中,进行了Ma=4、5、6条件下的发动机性能与工况转换研究,顺利实现了发动机的点火、火焰维持与燃烧工况转换过程,并获得了净正推力。

论文目录

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• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究发展综述
• 1.2.1 液体碳氢燃料超声速点火、燃烧研究
• 1.2.2 双模态冲压发动机性能分析评估方法研究
• 1.2.3 双模态冲压发动机燃烧室工作过程研究
• 1.2.4 国内外液体碳氢燃料双模态试验样机研究进展
• 1.3 研究存在的问题与不足
• 1.4 本文主要研究内容及章节安排
• 第二章 试验系统装置与数值模拟方法
• 2.1 直连式试验系统
• 2.1.1 直连式试验台
• 2.1.2 燃料流量调节系统
• 2.1.3 测量与观察设备
• 2.1.4 直连式发动机燃烧室
• 2.2 自由射流试验系统
• 2.3 两相流数值仿真模型
• 2.3.1 燃烧流动控制方程
• 2.3.2 物理模型
• 2.3.3 计算方法
• 2.3.4 验证算例
• 2.4 小结
• 第三章 双模态冲压发动机点火、燃烧过程研究
• 3.1 各类点火方式下点火、燃烧过程研究
• 3.1.1 机械节流式点火
• 3.1.2 引导氢辅助点火
• 3.1.3 火炬点火
• 3.2 多凹腔间的火焰传播过程研究
• 3.2.1 火焰顺流传播
• 3.2.2 火焰逆流传播
• 3.2.3 多凹腔构型超燃冲压发动机火焰横向传播实验
• 3.3 模型发动机点火、燃烧过程试验研究
• 3.3.1 试验过程与分析
• 3.3.2 试验结论
• 3.4 小结
• 第四章 双模态冲压发动机燃烧室分析模型研究
• 4.1 双模态冲压发动机一维分析模型
• 4.1.1 不同流通面积下的计算结果对比
• 4.1.2 一维分析模型的建立及适用性分析
• 4.2 改进的双流管分析模型
• 4.2.1 绝热的拟正激波无波模型
• 4.2.2 带加热的拟正激波无波模型
• 4.3 小结
• 第五章 双模态冲压发动机燃烧室性能研究
• 5.1 基于推力的直连式发动机性能评估方法
• 5.1.1 性能评估指标选择
• 5.1.2 性能分析模型
• 5.2 Ma4 直连式试验
• 5.2.1 相同喷油位置不同当量比下燃烧室性能比较
• 5.2.2 相同当量比不同燃烧室构型下燃烧性能比较
• 5.2.3 试验结论
• 5.3 Ma5 直连式试验
• 5.3.1 相同喷油位置下不同凹腔数量燃烧室性能比较
• 5.3.2 不同喷油位置下相同构型燃烧室性能比较
• 5.3.3 试验结论
• 5.4 不同飞行马赫数下的燃烧室性能比较
• 5.4.1 燃烧流场比较
• 5.4.2 燃烧性能比较
• 5.4.3 试验结论
• 5.5 小结
• 第六章 双模态冲压发动机燃烧工况转换过程研究
• 6.1 试验方法
• 6.2 固定喷油位置变当量比动态过程研究
• 6.3 喷油位置改变的动态过程研究
• 6.4 机械节流式燃烧室工况转换过程研究
• 6.4.1 点火及工况转换过程
• 6.4.2 工况转换前后燃烧流场特性比较
• 6.4.3 工况转换前后燃烧室性能比较
• 6.4.4 试验结论
• 6.5 小结
• 第七章 双模态冲压发动机自由射流试验
• 7.1 单模块双模态冲压发动机介绍
• 7.2 发动机点火、燃烧及工况转换试验
• 7.2.1 Ma4/20km 条件下的单模块发动机试验
• 7.2.2 Ma5/23km 条件下的单模块发动机试验
• 7.2.3 Ma6/25km 条件下的单模块发动机试验
• 7.2.4 Ma4/5/6 条件下单模块发动机性能比较
• 7.3 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果