超燃冲压发动机燃烧室及其冷却结构的耦合传热研究

摘要

超燃冲压发动机燃烧室内的高温热环境要求采用主动冷却技术。了解与分析燃烧室内高温热环境及其与冷却结构的耦合传热特性,是超燃冲压发动机主动冷却热防护结构设计的前提依据,对高超声速飞行器的发展具有重要意义。本文通过理论分析与数值模拟,对超然冲压发动机燃烧室内的复杂热环境及其与主动冷却结构的耦合传热特性进行了研究。首先,通过分析燃烧室内超声速燃烧、气动对流与辐射换热的耦合换热以及主动冷却通道的对流换热机理,建立了耦合换热模型。在此基础上,利用Fluent软件对燃烧室内的热流分布特征及冷却通道的换热特性进行了模拟研究。采用非预混合燃烧模型对超声速燃烧室内的热环境进行模拟预测。计算分析了超声速燃烧中的辐射换热作用;比较了绝热壁面、等温壁面及非均匀冷却壁面几种热边界条件下燃烧室壁面热流的分布特性。根据对超声速燃烧室内热环境及其影响因素的研究认识,初步提出了以非均匀冷却温度为壁面控制约束的主动冷却结构设计方案。通过对冷却通道内层流、湍流两种不同流态的对流换热能力模拟分析,验证了该主动冷却设计方案的可行性。通过本文的研究,为超燃冲压发动机燃烧室内复杂耦合传热的进一步研究与主动冷却技术发展提供了有价值的参考。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究意义

1.2 国外研究现状

1.2.1 超燃冲压发动机燃烧稳定性研究

1.2.2 超燃冲压发动机再生冷却技术研究

1.2.3 冲压发动机模态研究

1.3 国内研究概况

1.4 国内外研究现状总结

1.5 本课题的研究内容

第2章 燃烧室耦合传热模型及理论分析

2.1 燃烧室耦合传热过程分析

2.2 求解耦合传热问题的方法

2.3 控制方程的建立

2.3.1 燃烧室控制方程

2.3.2 固壁区域控制方程

2.3.3 冷却区域控制方程

2.3.4 数值求解方法分析

2.3.5 控制方程中源项分析

2.4 本章小结

第3章 超音速燃烧室热环境模拟分析

3.1 Fluent 软件简介

3.1.1 软件数值模拟流程

3.1.2 Fluent 模拟求解器简介

3.2 燃烧室数值模拟所选模型简介

3.2.1 非预混合燃烧模型

3.2.2 组分输运燃烧模型

3.2.3 湍流模型

3.2.4 辐射模型

3.3 2-D 燃烧室热环境模拟分析

3.3.1 2-D 燃烧室模拟模型及参数

3.3.2 2-D 燃烧室燃烧模型模拟结果对比

3.3.3 2-D 燃烧室有无辐射模型模拟结果对比

3.3.4 2-D 燃烧室热环境模拟分析结论

3.4 3-D 燃烧室热环境模拟分析

3.4.1 3-D 燃烧室模拟模型及参数

3.4.2 燃料和空气同一入口组分输运模型模拟

3.4.3 燃料单独喷口组分输运模型模拟

3.4.4 燃料单独喷口非预混合模型模拟

3.4.5 3-D 燃烧室热环境模拟分析结论

3.5 本章小结

第4章 燃烧室耦合热设计初步研究

4.1 边界条件对热环境影响分析

4.1.1 边界温度修正模拟

4.2 冷却结构冷却特性模拟分析

4.2.1 冷却结构冷却能力模拟结果

4.3 冷却结构设计

4.3.1 燃烧室壁面冷却结构初步设计

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢