超燃冲压发动机燃烧室两相流混合燃烧过程仿真及实验研究

超燃冲压发动机燃烧室两相流混合燃烧过程仿真及实验研究

论文摘要

本文在高超声速飞行器相关技术迅猛发展的背景下,采用数值仿真与实验相结合的方法,对超声速流场中燃料的混合增强及火焰稳定过程进行了机理及应用研究。对超声速两相流动与燃烧进行了建模与模型简化,并基于MPI通信平台开发了大涡模拟两相流并行计算程序。对并行计算中网格分区方法,区域网格交界处通信方法,及Euler与Larange坐标系间数据传递技术进行了研究。针对超声速流动混合增强机理,从最基本的自由剪切混合层入手,研究了混合层的发展过程。采用分相模型对超声速两相流混合层进行了大涡模拟仿真研究,分析了混合层的涡结构特征,得到不同Stocks数无蒸发液滴在流场中的运动特性;通过对混合层入口小扰动的研究,发现液滴蒸发过程使混合层厚度增加,加速混合层的发展,对混合过程有很大的促进作用;随后,对混合层压力时间序列进行了相空间重构,发现混合层发展的不同阶段与其系统的非线性特征值密切相关。基于对混合层的研究结果,针对凹腔剪切层的发展,采用实验与仿真的方法,研究了超声速流场凹腔混合增强及火焰稳定机理。利用非线性分形理论,分析了实验中火焰分形维数与燃烧程度及火焰稳定性的关系,其结果与仿真得到的流动分形维数一致。在单相及两相凹腔剪切层演化、激波作用及自激振荡的研究中发现,热波扰动能有效促进凹腔剪切层混合增强,而共振激波使剪切层破碎从而增强混合,所研究的凹腔自激振荡在单相及两相流中均是涡运流声振荡模型。针对超声速剪切层扩展率低的不足,应用流向涡增强技术,设计了集燃料喷注与混合增强功能于一体的物理斜坡喷注器。对四种结构的物理斜坡喷注器进行了多种实验及仿真研究,发现后掠设计能有效促进流向涡的卷起,并加速燃料喷流柱的抬升,这不仅增进了混合,也有效增强了其火焰稳定作用。而膨胀型与压缩型斜坡存在两种不同的流向涡发展模式,这主要是膨胀型斜坡中类凹腔结构的作用,该结构能有效的增进混合。针对物理斜坡侵入流场的不足,仿真研究了超声速燃料喷流的相互作用,提出了气动斜坡设计方案。通过实验证明,所设计的喷嘴阵列能有效加速喷流后流向涡的卷起,提高超声速掺混特性,由于喷嘴阵列的喷流方向与主流方向夹角较小,总压损失也较物理斜坡、横向喷流等混合增强方式小。针对气动斜坡火焰稳定能力差的不足,研究了气动斜坡与凹腔组合结构,对比了多种组合结构的超声速混合及燃烧性能。

论文目录

  • 表格目录
  • 插图目录
  • 符号说明
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景及意义
  • 1.1.1 不断跃进的飞行梦想
  • 1.1.2 吸气式超燃冲压发动机研究意义
  • 1.2 超声速混合燃烧关键技术研究综述
  • 1.2.1 超声速混合层理论研究
  • 1.2.2 凹腔火焰稳定器研究
  • 1.2.3 斜坡喷注器研究
  • 1.3 大涡模拟两相流仿真方法研究综述
  • 1.3.1 大涡模拟的优势
  • 1.3.2 大涡模拟仿真方法的发展
  • 1.3.3 离散相仿真模型的应用
  • 1.4 论文主要研究内容
  • 第二章 超声速两相流的大涡模拟数学模型
  • 2.1 气相流场的大涡模拟方法
  • 2.1.1 超声速流动大涡模拟流动控制方程
  • 2.1.2 混合RANS/LES模拟方法
  • 2.1.3 超声速燃烧模拟方法
  • 2.2 液相流场的数学模型
  • 2.2.1 液滴离散相建模准则
  • 2.2.2 离散相液滴轨道模型
  • 2.2.3 液滴蒸发模型
  • 2.2.4 液滴对气相的作用源项
  • 2.3 本章小结
  • 第三章 超声速两相流数值方法研究
  • 3.1 数值离散方法
  • 3.1.1 方程的解耦
  • 3.1.2 空间离散
  • 3.1.3 时间离散
  • 3.1.4 边界处理
  • 3.2 离散相与连续相数据交换
  • 3.2.1 双线性插值方法
  • 3.2.2 三线性插值方法
  • 3.2.3 三线性插值方法的替代
  • 3.2.4 液滴作用源项的统计
  • 3.3 基于MPI的两相流并行计算技术
  • 3.3.1 并行计算平台的搭建
  • 3.3.2 网格分区方法
  • 3.3.3 交界区域网格处理技术
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 超声速混合层两相流的大涡模拟
  • 4.1 Goebel-Dutton混合层实验
  • 4.1.1 混合层研究意义
  • 4.1.2 Goebel-Dutton混合层实验
  • 4.2 两相流混合层无蒸发液滴流场仿真研究
  • 4.2.1 计算网格及边界条件
  • 4.2.2 单相气体流场仿真研究
  • 4.2.3 两相流无蒸发液滴的跟随特性
  • 4.2.4 无蒸发液滴对流场的反作用
  • 4.3 煤油液滴蒸发对混合层的影响
  • 4.3.1 混合层厚度与实验的比较
  • 4.3.2 蒸发作用中小扰动的发展情况
  • 4.3.3 煤油液滴蒸发过程中气相流场的频率分析
  • 4.4 乙醇液滴蒸发对混合层的非线性作用
  • 4.4.1 相空间重构及非线性分析方法概述
  • 4.4.2 乙醇液滴蒸发对混合层发展的影响
  • 4.4.3 乙醇液滴蒸发过程中气相流场频率分析
  • 4.4.4 两相流混合层的非线性特征量分析
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 超声速流场凹腔混合燃烧特性研究
  • 5.1 实验系统及实验方法
  • 5.1.1 实验系统
  • 5.1.2 凹腔实验件设计
  • 5.1.3 自由基自发辐射实验原理及方法
  • 5.1.4 纳米粒子平面激光成像(NPLI)实验原理及方法
  • 5.2 超声速燃烧凹腔火焰分形特性实验研究
  • 5.2.1 分形理论
  • 5.2.2 氢燃料超声速凹腔火焰结构
  • 5.2.3 碳氢燃料超声速凹腔火焰结构
  • 5.2.4 大涡模拟仿真结果对比
  • 5.3 氢气横向喷流与凹腔流动特性的仿真研究
  • 5.3.1 边界条件及计算网格
  • 5.3.2 凹腔结构对流动燃烧的影响
  • 5.3.3 凹腔剪切层的演化过程
  • 5.3.4 激波与剪切层的作用
  • 5.3.5 凹腔自激振荡特性
  • 5.4 两相流超声速燃烧凹腔特性仿真研究
  • 5.4.1 两相流凹腔剪切层的演化
  • 5.4.2 液滴在凹腔中的运动
  • 5.4.3 两相流凹腔中的自激振荡
  • 5.5 本章小结
  • 第六章 超声速燃烧物理斜坡喷注器混合特性研究
  • 6.1 实验和仿真方法
  • 6.1.1 实验件设计
  • 6.1.2 实验方法
  • 6.1.3 实验件表面处理
  • 6.1.4 计算条件
  • 6.2 后掠结构对物理斜坡喷注器性能影响
  • 6.2.1 激波系的相互作用
  • 6.2.2 后掠角的混合增强作用
  • 6.2.3 斜坡的火焰稳定能力
  • 6.3 结构改变对物理斜坡喷注器性能影响
  • 6.3.1 膨胀型斜坡的两种自燃方式
  • 6.3.2 激波系结构对性能影响
  • 6.3.3 流向涡混合增强作用
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 超声速气动斜坡喷注器设计与混合燃烧性能研究
  • 7.1 超声速燃料喷流相互作用机理研究
  • 7.1.1 气动斜坡喷注器结构及计算条件
  • 7.1.2 喷流设计方案对混合性能的影响
  • 7.1.3 多喷嘴燃料喷注压力场分析
  • 7.1.4 喷嘴阵列流动速度分析
  • 7.2 九喷嘴气动斜坡喷注器特性研究
  • 7.2.1 实验件设计与计算条件
  • 7.2.2 激波与边界层相互作用
  • 7.2.3 流向涡混合增强特性
  • 7.2.4 气动斜坡压力分析
  • 7.3 气动斜坡与凹腔组合结构特性研究
  • 7.3.1 实验件设计与计算条件
  • 7.3.2 凹腔结构对混合燃烧性能的影响
  • 7.3.3 喷嘴阵列对喷流剪切层发展的影响
  • 7.3.4 喷注压力对组合件混合增强性能的影响
  • 7.4 本章小结
  • 结束语
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者在学期间取得的学术成果以及参加科研项目情况
  • 附录
  • 相关论文文献

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