固体燃料冲压发动机燃烧室流动燃烧性能研究

摘要

固体燃料冲压发动机(Solid Fuel Ramjet，SFRJ)推进系统基于空气压缩原理，结构简单、可靠性高并且成本相对较低，适用于超音速飞行的各种导弹以及炮弹。SFRJ相对于固体火箭发动机，比冲较高，而相对于涡喷发动机，结构简单。但是，SFRJ的工作性能较为复杂，在工程应用中面临着一些问题，还需要对SFRJ进行更广泛的基础研究工作。本文针对燃烧室尺寸与固体燃料燃速的关系不明确、SFRJ火焰稳定性差以及固体燃料燃速和燃烧效率偏低的问题，通过地面连管试验系统，并建立了非定常湍流流动模型，开发了仿真软件，使用高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，HDPE)作为固体燃料，研究了典型结构SFRJ燃烧室内的流动燃烧过程，并探索了不同燃烧室结构对SFRJ性能的影响。本文主要研究工作如下: (1)建立了非定常湍流流动模型，开发了仿真软件，该软件可用于计算二维、轴对称以及三维流动燃烧过程。采用有限体积方法对方程进行离散求解。对于流场区域的Navier-Stokes方程，对流项采用三阶MUSCL重构方法，并使用AUSMPW+方法计算数值通量，粘性项采用中心差分格式，并使用Jacobian变换求解数值通量。固体热传导方程考虑了燃面退移对固相能量的影响，采用中心差分格式，并使用Jacobian变换求解数值通量。 为了准确计算燃料表面附近的温度场，流固交界面热流密度采用耦合传热方法求解。采用简化的七组分三反应化学反应模型计算气相化学反应速率，为准确预测火焰稳定性，使用二阶矩湍流燃烧模型模拟湍流对气相化学反应速率的影响;固体燃料分解速率采用阿累尼乌斯公式。通过多个验证算例，证明了软件的数值准确性及可靠性。 (2)通过数值仿真方法，得到了来流条件以及燃烧室尺寸影响固体燃料燃速的主要原因，即对流传热系数的变化。在此基础上，获得了燃烧室尺寸与固体燃料燃速的线性经验关系，进而分析了燃烧室尺寸对空燃比以及发动机性能的影响。对SFRJ的点火燃烧性能进行了验证性试验，分析了SFRJ的点火燃烧过程;通过三维扫描方法，以及编制的MATLAB数据重构程序，获得了固体燃料燃烧之后的型面以及燃速分布云图;对比了仿真与试验结果，验证了理论分析的可信性。 (3)针对SFRJ火焰稳定性较差的问题，提出了影响SFRJ稳定自持燃烧的关键因素，即化学反应特征时间与反应物停留时间的比值，在此基础上，分析了后台阶结构对火焰的稳定作用，并探索了其中的物理原因。针对不同台阶高度情况下的固体燃料的自持燃烧问题进行了地面连管试验，验证了SFRJ自持燃烧问题的理论分析结果，同时，对点火过程对SFRJ自持燃烧的影响进行了叙述，指出了本文开发的软件的不足之处。 (4)针对扩散火焰中固体燃料燃速和燃烧效率较低的问题，提出了燃烧室内放置多孔隔板的设计思路。仿真分析了隔板结构对燃烧室流场和固体燃料燃速的影响。结果显示:隔板对上游流场有明显的影响;隔板下游的固体燃料燃速有明显的提高。随后，对比了固体燃料燃速的仿真与试验结果，验证了仿真结果的可信性，同时，试验分析了隔板结构对压力损失的影响。 (5)针对扩散火焰中固体燃料燃速和燃烧效率较低的问题，提出了星孔内型面固体燃料的设计思路。仿真结果显示:星孔内型面对流场结构有较大影响，燃烧室内产生了明显的周向运动;星孔内型面固体燃料的平均燃速值高于圆孔燃料的燃速值;星孔燃料燃速沿周向有较大变化。通过连管试验方法，分析了固体燃料的燃速特征以及星孔燃料的燃烧过程。

目录

声明

摘要

图表目录

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2固体燃料冲压发动机工程应用现状

1．3固体燃料扩散燃烧性能研究综述

1．3．1混合火箭中固体燃料燃烧性能研究

1．3．2 SFRJ内固体燃料燃烧性能的影响因素研究

1．3．3 SFRJ流场仿真方法研究

1．3．4固体燃料白持燃烧性能研究

1．4燃烧室结构对固体燃料扩散燃烧的影响

1．4．1隔板结构对扩散燃烧性能的影响

1．4．2不同内型面固体燃料燃烧性能

1．5本文主要研究内容

2 SFRU流动燃烧过程数值仿真及试验方法

2．1气相控制方程及数值算法

2．1．1轴对称控制方程

2．1．2三维控制方程

2．1．3湍流模型

2．1．4化学反应模型

2．1．5变量重构方法

2．1．6通量计算方法

2．1．7时间推进方法

2．1．8边界条件

2．2考虑燃面退移的固相热传导方程

2．2．1控制方程

2．2．2数值算法

2．2．3边界条件

2．3仿真软件计算流程

2．4试验设备与方法

2．4．1进气模拟系统

2．4．2发动机试验系统

2．4．3实验方法及步骤

2．5试验数据处理

2．5．1压强和温度采集装置

2．5．2固体燃料平均燃速测量

2．5．3固体燃料局部燃速测量

2．6算例验证

2．6．1 NACA0012翼型绕流

2．6．2 M6机翼绕流

2．6．3球头激波诱导燃烧

2．6．4突扩后台阶流动传热

2．6．5固体燃料冲压发动机仿真与试验结果对比

2．7本章小结

3固体燃料燃速影响因素研究

3．1来流条件对固体燃料燃速的影响

3．1．1计算模型及工况

3．1．2点火阶段的SFRJ流场特征

3．1．3 SFRJ稳态流场分析

3．1．4来流总温影响燃速的物理原因

3．1．5空气质量流率影响燃速的物理原因

3．2燃烧室尺寸对固体燃料燃速的影响

3．2．1计算模型及工况

3．2．2固体燃料内径对燃速的影响

3．2．3燃烧室入口内径对燃速的影响

3．2．4结构相似发动机尺寸对燃速的影响

3．3燃烧室尺寸对SFRJ性能的影响规律

3．3．1突扩比对燃速的影响规律

3．3．2 SFRJ性能的影响因素分析

3．3．3燃烧室尺寸对SFRJ性能的影响

3．4 SFRJ燃烧性能试验验证

3．4．1试验工况

3．4．2 SFRJ补燃室压强温度变化规律

3．4．3试验与理论结果对比

3．5本章小结

4 SFRJ自持燃烧影响因素研究

4．1．1仿真模型及工况

4．1．2火焰稳定性仿真结果

4．1．3 SFRJ内流场特征分析

4．1．4影响SFRJ自持燃烧的主要因素

4．1．5台阶高度对SFRJ自持燃烧性能的影响

4．2 SFRJ自持燃烧性能试验验证

4．2．1试验工况

4．2．2 SFRJ自持燃烧性能试验结果

4．2．3点火过程对SFRJ自持燃烧的影响

4．3本章小结

5隔板结构对SFRJ燃烧性能的影响

5．1燃烧室流场及燃料燃速特征仿真分析

5．1．1计算模型及工况

5．1．2流场特征

5．1．3燃速分布云图

5．1．4影响燃速的物理原因分析

5．2 SFRJ燃烧性能试验分析

5．2．1试验工况

5．2．2固体燃料燃速特征分析

5．2．3 SFRJ燃烧性能分析

5．2．4仿真试验结果对比

5．3本章小结

6星孔固体燃料燃烧性能研究

6．1燃烧室流场及燃料燃速特性仿真分析

6．1．1计算模型及工况

6．1．2流场特征

6．1．3燃速分布规律

6．1．4影响燃速的物理原因分析

6．2星孔固体燃料燃烧过程试验分析

6．2．1试验工况

6．2．2固体燃料燃速分析

6．2．3燃烧室压强特征分析

6．2．4仿真试验结果对比

6．3本章小结

7结论与展望

7．1本文研究工作总结

7．2本文创新点

7．3今后研究工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间科研成果