超燃冲压发动机燃烧室性能影响因素的对比分析

摘要

世界各国争先发展高超声速技术，燃烧室是高超声速发动机的核心部件。本文通过数值模拟对燃烧室性能进行评估，并研究不同因素对燃烧室主要参数及燃烧模态的影响。基于非定常准一维欧拉方程，考虑面积变化、燃料添加、变比热、壁面摩擦及热损失、平衡化学反应等因素，采用Fortran语言编写一维程序用于计算激波位置不确定情况下非定常燃烧室稳态工作过程。通量可采用Roe和AUSM格式分别处理，燃料添加采用指数加质方式，源项采用时间分裂和二阶Runge-Kutta方法处理。燃烧采用13组分和7反应模型，应用平衡常数法求解燃气组分并计算燃烧放热量。由时间步进法模拟氢燃料超燃冲压发动机燃烧室马赫数、压力比、静温等参数分布规律并与文献实验数据对比，同时分析油气比、摩擦系数与污染组分对燃烧室性能的影响。计算结果显示：油气比严重影响燃烧室的工作模态，但摩擦系数在通常范围不会对燃烧室工作模态产生质的影响；在油气比0.35情况下，来流组分中有水比无水情况静压、温度高；一维程序可以对超燃冲压发动机燃烧室性能进行快速评估。
　　本文运用Fluent开展了多维稳态燃烧场计算，燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型，湍流模型采用RNG K-ε模型，求解方程采用密度基AUSM+隐式算法。分析了油气比和污染组分对燃烧室性能的影响，三维计算结果与文献实验值吻合较好。将三维计算得到的压力比、温度、马赫数进行截面质量加权平均处理得到沿流向分布规律，并与一维计算结果对比，结果显示：参数变化趋势和燃烧室工作模态基本一致；随着油气比增加，燃烧与燃料喷注产生的扰动逐渐向上游传播，流动向热力学壅塞状态转变，亚声速区域扩大；在油气比??0.35情况下，来流组分无水时燃烧主区域向主流区扩散现象相对明显。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 超燃冲压发动机工作原理

1.3 超燃冲压发动机燃烧室

1.4 超燃冲压发动机数值模拟研究进展

1.5 论文主要研究内容

第2章 数学物理模型与数值方法

2.1 一维计算控制方程

2.2 一维计算数值求解方法

2.3 化学反应处理及相关参数计算

2.4 壁面热损失

2.5 三维计算模型

2.6 质量加权平均

2.7 本章小结

第3章 算例验证

3.1 一维程序验证

3.2 三维计算验证

3.3 本章小结

第4章 氢燃烧超燃冲压发动机一维数值模拟

4.1 几何模型与燃料喷注条件

4.2 冷流计算

4.3 油气比对燃烧室性能影响

4.4 摩擦系数对燃烧室性能影响

4.5 污染组分对燃烧室性能影响

4.6 本章小结

第5章 氢燃烧超燃冲压发动机多维数值模拟

5.1 几何模型与燃料喷注条件

5.2 冷流计算

5.3 油气比对燃烧室性能影响

5.4 污染组分对燃烧室性能影响

5.5 本章小结

结论

未来研究工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢