超音速燃烧室实验和数值模拟研究

摘要

超音速燃烧冲压发动机被认为是高超音速(M>5)的飞行器最有发展前景的吸气式推进系统。超燃冲压发动机可以有效的提高飞行器的有效载荷和航程，因此被认为是下一代空天飞行器和巡航导弹推进系统发展的重点，而被世界各国广泛地进行研究。 超燃冲压发动机设计研究的难点在于超音速燃烧室，燃烧室内部燃料/空气的混合、激波的相互干扰以及放热等的存在，使燃烧室的工作机理十分复杂。超燃冲压发动机外部阻力很大，超音速燃烧室的性能对发动机非安装性能的提高至关重要。超音速燃烧室由于进口速度高、混气停留时间短、损失大，因此如何实现点火和火焰稳定，并获得高的燃烧效率和总压恢复系数，成为燃烧室设计的关键。开展超音速燃烧室实验和数值模拟的研究对探索超音速燃烧室的设计关键技术具有重要意义。 本文简述了国内外超燃冲压发动机燃烧室的研究成果；针对自行设计的超音速燃烧室模型，开展了不同隔离段长度和不同反压条件下的燃烧室冷流实验；利用电阻加热的超音速燃烧室实验设备，模拟飞行马赫数Ma=4.0的燃烧室进口条件，在流量m=2600kg/h，总温Tt≈1000K的状态下，完成了氢气和乙烯燃料的点火燃烧试验；采用CFD商用软件对燃烧室流场进行了数值模拟，并将计算结果与实验数据进行了对比和分析。实验和计算研究表明1)隔离段长高比增大，其燃烧室容纳反压的能力相对增强；2)燃烧室出口压力场的畸变对燃烧室内部流场有较大的影响；3)在较低的来流总温(Tt≈1000K)下，实现乙烯的自燃十分困难，采用氢气为先锋火焰是实现乙烯点火的有效途径之一；4)在一定的范围内，提高燃料的当量油气比，燃烧室燃烧效率相应提高；5)计算结果与实验数据的对比验证，表明了计算方法的适用性。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2超燃冲压发动机和超音速燃烧室

1.2.1超燃冲压发动机的构成和工作原理

1.2.2超音速燃烧冲压发动机燃烧室和点火理论

1.2.3超音速燃烧室燃料混合增强及火焰稳定技术

1.3超燃冲压发动机国内外研究与发展状况

1.4本文的主要工作：

第二章超音速燃烧室直连式实验设备

2.1引言

2.2超音速燃烧室直连式实验设备

2.2.1实验设备和工作原理

2.2.2设备调试

2.3实验技术和参数测量

2.3.1实验技术

2.3.2实验参数测量和仪器

2.4本章小结

第三章超音速燃烧室数值计算方法

3.1引言

3.2计算网格的生成

3.3数学模型

3.3.1控制方程

3.3.2计算格式

3.4湍流模型及壁面函数

3.4.1湍流模型

3.4.2壁面函数

3.5化学反应模型

3.5.1有限速率模型

3.5.2涡耗散模型

3.6初始条件和边界条件

3.7收敛准则

3.8相关参数定义

3.9本章小结

第四章超音速燃烧室冷流实验和数值模拟研究

4.1引言

4.2实验模型

4.3超音速燃烧室冷流实验状态

4.4实验结果对比及其分析

4.5超音速燃烧室冷流实验流场的数值模拟研究

4.5.1计算方法的实验验证

4.5.2冷流实验流场的数值模拟和分析

4.6本章小结

第五章超音速燃烧室点火燃烧实验和数值模拟研究

5.1引言

5.2实验模型

5.3实验状态

5.4超音速燃烧室点火和火焰稳定燃烧实验

5.4.1燃烧室冷流实验

5.4.2氢燃料的点火实验

5.4.3氢为先锋火焰的乙烯燃料的点火实验

5.5氢燃料超音速燃烧室燃烧流场数值模拟研究

5.5.1燃烧室流场计算的工作状态

5.5.2计算方法的实验验证

5.5.3油气比对超音速燃烧室流场影响的数值模拟研究

5.6本章小结

第六章总结和展望

6.1主要结论

6.2展望和建议

参考文献

硕士期间发表论文情况

致谢