高总焓来流条件下固体燃料冲压发动机自点火特性研究

摘要

高速冲压推进动能弹是一种采用固体燃料冲压发动机(SFRJ)作为动力装置的新型近程小口径防空动能弹，具有飞行速度快、准确度高、终点动能高、威力大等优点。本文以固体燃料冲压发动机在小口径防空动能弹领域中的应用为背景，采用数值模拟和实验研究相结合的方法，开展了对高总焓来流条件下固体燃料冲压发动机自点火规律的研究。 在Fluent平台上，基于二维轴对称雷诺时均N-S方程，C2H4-空气10组分12步化学反应模型，自定义函数(UDF)源项添加及k-ω SST湍流模型，对某固体燃料冲压发动机模型的自点火过程进行了非定常模拟，分析了自点火过程中不同阶段燃烧室内流场及各组分的变化情况。结果表明:SFRJ自点火过程可分为四个阶段:能量积累阶段、局部着火阶段、火焰传播阶段和火焰发展阶段，各阶段燃烧室内流场有不同的变化规律;初始火核首先出现在燃烧室头部台阶后的位置;自点火过程中固体燃料的燃面退移速率经历了缓慢上升-快速上升-小幅下降并稳定的过程。 对高总焓下固体燃料冲压发动机自点火过程进行了准定常模拟，对比分析了成功自点火和未能自点火时的流场特征，对不同参数对SFRJ自点火性能和自点火工作特性的影响进行了研究，结果表明:影响发动机能否自点火的关键是回流区头部区域的化学反应强度能否满足形成初始火核的要求;固体燃料冲压发动机存在自点火流量极限和来流总温极限，来流总温增加会减小自点火流量极限;增加进气流量，提高来流总温，增大台阶高度，均会增大固体燃料的燃面退移速率，台阶高度对SFRJ燃烧室内流场的回流区和再发展区有着相反的影响。 完成了高总焓空气来流条件下固体燃料冲压发动机地面直连式实验，进行了不同参数下的自点火实验，并与仿真结果进行了对比。结果表明:燃烧室压力会直接影响固体燃料冲压发动机的自点火过程，低压情况自点火可靠性不高，压力的大小对固体燃料燃速基本没有影响;根据进气流量大小的不同，发动机工作存在稳定燃烧、振荡燃烧、自点火临界三种状态;补燃室对固体燃料的燃速影响并不大;燃速随进气流量和来流总温的增大而增大。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外发展现状

1．2．1固体燃料冲压发动机研制计划

1．2．2固体燃料冲压发动机数值模拟

1．2．3固体燃料冲压发动机实验研究

1．3本文主要研究内容

2数值计算方法

2．1基本假设

2．2控制方程

2．3湍流模型

2．4燃烧模型

2．5聚乙烯燃烧分解反应模型

2．6燃速计算模型

2．7数值方法验证

2．8本章小结

3高总焓下固体燃料冲压发动机自点火过程的非定常数值模拟

3．1计算模型

3．1．1物理模型及计算网格

3．1．2边界条件

3．1．3求解方法

3．2固体燃料冲压发动机自点火流场分布分析

3．3自点火过程分析

3．4燃速变化

3．5本章小结

4固体燃料冲压发动机自点火性能研究

4．1计算模型

4．2来流参数对自点火性能的影响

4．2．1成功自点火与未能自点火流场对比分析

4．2．2进气流量对发动机自点火性能的影响

4．2．3来流总温对发动机自点火性能的影响

4．3来流参数对自点火工作特性的影响

4．3．1进气流量对发动机自点火工作特性的影响

4．3．2来流总温对发动机自点火工作特性的影响

4．3．3台阶高度对发动机自点火工作特性的影响

4．4本章小结

5高总焓条件下固体燃料冲压发动机地面直连式实验研究

5．1实验系统

5．1．1地面直连式实验系统简介

5．1．2测量方法

5．1．3实验方案

5．2实验工况

5．3实验结果与分析

5．3．1喷喉直径对冲压发动机工作特性的影响

5．3．2进气质量流率对冲压发动机工作特性的影响

5．3．3补燃窒对冲压发动机工作特性的影响

5．3．4燃速实验

5．4实验结果与数值仿真对比

5．5本章小结

6结论与展望

6．1本文的主要工作及成果

6．2研究展望

致谢

参考文献

附录