固体燃料冲压发动机燃烧特性的理论与实验研究

摘要

近年来，固体燃料冲压发动机(SFRJ)备受世界各国关注，与其它发动机相比，SFRJ具有比冲高、结构简单等特点，在超声速导弹和增程炮弹方面具有广阔应用前景。本文以弹用SFRJ为应用背景，以计算流体动力学软件Fluent为工具，结合理论分析、数值模拟和实验等手段，对不同条件下SFRJ的工作状态及其燃面退移速率进行了深入系统的研究，为SFRJ的研制奠定理论和实验基础。本文主要工作如下。
　　(1)在完成燃料通道内流场流动状态分析的基础上，基于焓平衡法，建立了内孔燃烧SFRJ燃面退移速率的预示模型，并编写了预示程序。模型中考虑了燃烧室入口直径，燃料通道直径，燃料长度，来流空气质量流率、总温等因素对固体燃料燃面退移速率的影响。针对以聚乙烯(PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为燃料的SFRJ进行了34个工况的计算，并与已有实验进行对比，主要结论有:燃面退移速率的计算误差在-14.4％～13.5％之间，误差绝对值的平均值为5.87％;在理论计算中首次发现，工作过程中固体燃料内腔体积随时间呈线性关系，并给予了相应的分析;在给定工况下的计算结果表明，SFRJ中燃面退移速率正比于燃料长度的-0.21次方。
　　(2)利用用户自定义函数(UDF)进行二次开发，在Fluent平台上基于源项添加法，建立了SFRJ燃烧室准定常流场数值模拟方法。对以PE为燃料的内孔燃烧SFRJ在不同来流空气质量流率、总温、燃烧室入口相对突扩台阶高度、发动机尺寸及燃料长度条件下的燃烧室准定常流场进行了数值模拟，主要结论有:随着来流空气质量流率的增大，固体燃料的燃面退移速率不断增大，补燃室内空燃比及压力增大、温度降低，发动机推力、比冲增大;随着来流空气总温的升高，燃面退移速率不断增大，补燃室温度升高，压力及发动机推力不断增大，而发动则机比冲减小;随着相对突扩台阶高度的不断增大，燃面退移速率增加，补燃室温度及压力逐渐升高，化学反应速率逐渐加快，发动机的火焰稳定性不断提高;在保证空气密流及总温相同、几何相似的条件下，随着尺寸的减小，燃面退移速率增大，补燃室温度及压力升高，火焰稳定性降低;在保证其它参数相同时，增大燃料长度，并不改变燃料通道内相同轴向位置处的流场温度、燃料的燃面退移速率及组分分布，而平均燃面退移速率减小，补燃室温度、压力升高。
　　(3)提出了一种燃料外侧面燃烧的SFRJ构型，对燃面直径分别为40 mm、60 mm的外侧面燃烧PESFRJ燃烧室流场进行了准定常数值模拟研究，并与通气面积相同的内孔燃烧SFRJ燃烧室流场进行了对比，结果表明:与内孔燃烧相比，再附着点之前，外侧面燃烧的燃料表面温度及燃面退移速率上升较快，且数值较大;在Dp,0=40 mm的外侧面燃烧发动机中，当来流空气总温较低时，随着轴向位置的增大燃料下游段的燃面退移速率逐渐增大，此时，来流空气质量流率越大，燃面退移速率开始增大的位置越靠前，而增大速率越小;本文所涉及的工况中，在再发展区内的绝大部分区域内，外侧面燃烧的燃面退移速率比内孔燃烧的小很多，导致其平均燃面退移速也小;与内孔燃烧相比，外侧面燃烧SFRJ的推力较小，而比冲则相差不大。
　　(4)建立了基于流固耦合、动网格方法的SFRJ燃烧室流场非定常数值模拟方法，在Fluent平台上通过使用UDF进行二次开发，分别对内孔燃烧、外侧面燃烧的SFRJ燃烧室流场进行了流固耦合数值模拟，结果表明:工作过程中，内孔燃烧的温度场、压力场及轴线上的轴向速度随时间基本不变化;而外侧面燃烧的补燃室温度、压力随时间不断减小;内孔燃烧燃料通道的内腔体积随时间呈线性变化，瞬时燃面退移速率与该时刻当量内径基本成反比;受换热系数变化的影响，Dp,0=40 mm外侧面燃烧工况燃料下游段燃面退移速率沿轴向增大的幅度逐渐减小，甚至不再增大。
　　(5)完成了以聚乙烯为燃料的内孔、外侧面燃烧SFRJ直连式实验，对不同燃面直径、来流空气质量流率、总温、工作时间等参数进行了实验研究。结果表明:外侧面燃烧的火焰稳定性能较差;在Dp,0=40 mm的外侧面燃烧的工况中，在燃料下游段燃面退移速率随着轴向坐标的增大而增大;随着来流空气质量流率的增大，内孔、外侧面燃烧的平均燃面退移速率、补燃室压力均增大，补燃室温度均降低;随着来流空气总温的升高，内孔、外侧面燃烧的平均燃面退移速率增大，补燃室温度及压力均升高;随着工作时间增大，内孔、外侧面燃烧的平均燃面退移速率减小，但内孔燃烧的单位时间平均燃料质量流率基本不变;在内孔燃烧发动机稳定工作后，补燃室的压力随时间基本不变;理论结果与实验相符，再附着点位置准确，平均燃面退移速率最大误差为14.42％，补燃室温度最大误差为13.96％，补燃室静压最大误差为6％，且各参数随不同影响因素的变化趋势与实验相符。

目录

声明

摘要

图表目录

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究概况及发展趋势

1．2．1 弹用SFRJ的相关研制计划

1．2．2 SFRJ燃烧特性的数值模拟研究

1．2．3 SFRJ的实验研究

1．2．4 SFRJ燃烧效率、弹道及性能预示等理论研究

1．2．5 固体燃料热解特性的研究

1．3 本文主要工作

2 内孔燃烧SFRJ燃面退移速率预示模型

2．1 燃面退移速率预示模型

2．2 PMMA和PE的热解过程

2．2．1 PMMA和PE的热解产物

2．2．2 PMMA和PE的汽化热

2．3 计算结果与分析

2．3．1 计算结果对比及燃料长度对平均燃面退移速率影响的计算

2．3．2 燃料内腔体积随时间的变化规律

2．4 本章小结

3 内孔燃烧SFRJ燃烧室准定常流场的数值模拟

3．1 基本假设

3．2 固体燃料燃面退移速率模型与各组分物性估算

3．2．1 固体燃料燃面退移速率模型

3．2．2 各组分的物性估算

3．3 物理模型与源项添加

3．4 数值模型方法与验证

3．5 数值模拟结果与分析

3．5．1 来流空气质量流率的影响

3．5．2 来流空气总温的影响

3．5．3 相对突扩台阶高度的影响

3．5．4 尺寸缩放的影响

3．5．5 燃料长度的影响

3．6 本章小结

4 外侧面燃烧SFRJ燃烧室准定常流场的数值模拟

4．1 物理模型

4．2 外侧面燃烧与内孔燃烧流场的差别

4．3 来流空气总温的影响

4．4 来流空气质量流率的影响

4．5 壳体热负荷的比较

4．6 本章小结

5 SFRJ燃烧室流场的非定常数值模拟

5．1 数学物理模型、计算方法及验证

5．1．1 数学物理模型

5．1．2 动网格方法

5．1．3 流固耦合方法与验证

5．2 内孔燃烧的结果与分析

5．3 外侧面燃烧的结果与分析

5．4 准定常与非定常数值模拟结果对比

5．5 本章小结

6 聚乙烯在SFRJ中燃烧特性的实验研究

6．1 SFRJ直连式实验系统简介

6．1．1 供气系统

6．1．2 加热系统

6．1．3 实验测量、控制系统

6．2 SFRJ直连式实验方案设计

6．3 实验工况设计及实验概况

6．4 实验结果与分析

6．4．1 内孔燃烧实验

6．4．2 第一种结构发动机的外侧面燃烧实验

6．4．3 第二种结构发动机的外侧面燃烧

6．4．4 平均燃面退移速率

6．5 理论与实验结果对比

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 本文工作总结

7．2 本文创新点

7．3 未来展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目