双模态冲压发动机燃烧室碳氢燃料凹槽火焰稳定性研究

论文摘要

双模态冲压发动机满足飞行器由超声速到高超声速的宽广速度范围要求。目前，在提高其性能，获得大的净推力的几种新概念中，集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽火焰稳定器是其中最具潜力的一种。本文从实验和数值模拟两方面，对双模态冲压发动机燃烧室凹槽火焰稳定器和模态转换进行了研究。 1．实验研究 针对双模态冲压发动机燃烧室模型，设计了两种结构的火焰稳定器：正规凹槽和斜面凹槽火焰稳定器。通过直连式实验，用一维方法处理实验数据，得到不同飞行马赫数条件下的燃烧室参数和性能。在飞行马赫数为5，油气当量比0.386～0.551时，随着油气当量比的增加，燃烧由超燃冲压转换到亚燃冲压模态。设计的凹槽实现了稳定火焰的作用。 2．数值计算 对实验研究中所使用的燃烧室模型进行简化和分析，建立了适合计算的双模态燃烧室数学模型。通过与实验数据进行对比，证明数值计算中所采用的各类模型和计算结果是正确的。 采用涡耗散和假定PDF两个紊流燃烧模型、两方程紊流模型和雷诺应力紊流模型，对煤油在双模态燃烧室内的燃烧进行了数值分析。与涡耗散模型相比，采用假定PDF模型更能准确地分析煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧；RNGk-ε和SSTk-ω紊流流动模型在模拟煤油超声速燃烧流场中是非常有效的，而雷诺应力模型的效果较差。 系统研究了不同L／D、后缘倾角θ和前壁面结构以及燃料喷射位置对凹槽火焰稳定特性的影响。在所模拟的条件下，L／D=5、后缘倾角θ=30°、前壁面为斜面以及从其上游0位置喷射燃料的凹槽结构，不仅具有良好的火焰稳定性，而且总压损失小，燃烧效率较高。 对凹槽的非定常流动进行了计算，再现了凹槽振荡流场。其产生的卷吸，有利于质量交换和向外传播，适于稳定火焰。对双模态冲压发动机燃烧室内液滴的非定常流动进行了模拟，得到燃料在燃烧室内的分布，有利于确定点火位置、点火时间以及火焰稳定器的位置，从而，合理设计燃烧室结构，使液体煤油的混合和燃烧更加充分。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 双模态冲压发动机
• 1.2.1 亚燃、超燃和双模态的概念
• 1.2.2 双模态冲压发动机的气动热力学
• 1.2.3 双模态冲压发动机的热力循环
• 1.2.4 双模态冲压发动机的结构特点、关键技术
• 1.3 超声速燃烧室中凹槽的研究
• 1.3.1 凹槽混合
• 1.3.2 凹槽火焰稳定器
• 1.4 模态转换的研究
• 1.5 本文的主要内容
• 1.5.1 研究方法
• 1.5.2 本文内容安排
• 第二章 实验研究
• 2.1 双模态燃烧室设计
• 2.1.1 燃烧室结构特点
• 2.1.2 燃烧室设计中考虑的问题
• 2.1.3 燃烧室结构
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 凹槽流场特性
• 2.2.2 凹槽火焰稳定器试验件结构
• 2.3 实验设备和仪器
• 2.3.1 主体设备
• 2.3.2 操作程序和控制系统
• 2.3.3 测量系统
• 2.4 实验数据处理方法
• 2.4.1 流场物理模型
• 2.4.2 流场数学模型
• 2.5 实验结果
• 2.5.1 不同飞行马赫数
• 2.5.2 模态转换
• 2.6 小结
• 第三章 数值计算方法
• 3.1 冲压发动机燃烧室的模拟
• 3.2 控制方程
• 3.3 基本物理方程
• 3.3.1 紊流模型
• 3.3.2 可压缩流动
• 3.3.3 化学反应和紊流燃烧模型
• 3.3.4 液滴模型和传输方程
• 3.3.5 连续相与离散相间的耦合
• 3.4 网格的产生
• 3.4.1 结构网格的产生
• 3.4.2 非结构网格的产生
• 3.4.3 网格生成
• 3.5 边界条件
• 3.5.1 离散相初始条件
• 3.5.2 离散相边界条件
• 3.5.3 气相边界条件
• 3.6 迭代技术
• 3.6.1 离散化方法
• 3.6.2 求解器
• 3.7 算例
• 3.8 小结
• 第四章 紊流燃烧模型
• 4.1 化学动力学研究
• 4.1.1 化学动力学基础
• 4.1.2 化学动力学现状
• 4.1.3 化学动力学模型
• 4.2 紊流燃烧的研究
• 4.3 采用的紊流燃烧模型
• 4.3.1 涡耗散模型
• 4.3.2 PDF模型
• 4.4 计算结果和分析
• 4.4.1 静压分布
• 4.4.2 质量分数分布
• 4.4.3 静温分布
• 4.4.4 总压损失和燃烧效率
• 4.5 小结
• 第五章 紊流流动模型
• 5.1 序言
• 5.2 紊流流动模型
• 5.2.1 k-ε两方程模型
• 5.2.2 k-ω两方程模型
• 5.2.3 RSM模型
• 5.3 计算结果
• 5.3.1 计算静压及与实验值的比较
• 5.3.2 分离区域
• 5.3.3 静温分布
• 5.3.4 马赫数分布
• 5.3.5 燃烧效率和总压损失
• 5.4 小结
• 第六章 凹槽火焰稳定器结构
• 6.1 不同L/D凹槽
• 6.1.1 结果和分析
• 6.1.2 结论
• 6.2 不同后缘倾角凹槽
• 6.2.1 结果和分析
• 6.2.2 结论
• 6.3 不同前壁面结构凹槽
• 6.3.1 结果和分析
• 6.3.2 结论
• 6.4 不同喷油位置
• 6.4.1 计算结果及其分析
• 6.4.2 结论
• 6.5 小结
• 第七章 非定常计算
• 7.1 凹槽非定常流动
• 7.1.1 凹槽非定常流数值计算的验证
• 7.1.2 边界条件和凹槽结构
• 7.1.3 结果和分析
• 7.1.4 结论
• 7.2 液滴的非定常流动
• 7.2.1 计算结果
• 7.2.2 结论
• 7.3 小结
• 第八章 结论
• 8.1 主要成果
• 8.2 主要创新点
• 8.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文