金属粉末加力燃烧室的热力学分析及数值模拟

摘要

随着航空科技的不断发展，高空飞行器在未来航空领域中将扮演着越来越重要的角色，且被提出了更高的性能要求（长时间续航、超声速飞行、抗干扰等）。普通的燃油型航空发动机很难使飞行器在高空贫氧条件下飞行时满足这种高性能要求。飞行器在高空飞行时，空气的含氧量相比于地面大大减少，加力燃烧室中的含氧量还会进一步减小。贫氧的条件下，不利于航空煤油的着火与完全燃烧，影响飞行器的飞行性能，成为了使飞行器在万米高空长时间保持高速飞行的最主要障碍。基于此，本文将探索一种以金属镁粉为燃料的加力系统，并对加力系统的可行性进行初步的讨论。
　　首先，利用CEA（Chemical Equilibrium and Application）软件分别对镁粉在航空发动机尾气和氮气中的燃烧反应进行理论计算。镁粉颗粒在航空发动机尾气中燃烧时，首先会与尾气中的O2和CO2反应，然后再与N2发生反应；镁粉颗粒在氮气中点燃时，会与氮气发生燃烧反应生成Mg3N2和MgN。但是两种情况下，镁粉颗粒与氮气发生反应的量都特别小。
　　其次，以不带加力燃烧室和带金属粉末加力系统这两种情况下对航空发动机热力过程进行理论分析。得出了两种情况下的推力解析式，从理论上初步得出金属粉末加力系统可以为系统提供正推力。
　　最后，基于某款小型涡喷发动机模型，在其原有装置的基础上为其设计一款凹腔加力燃烧室结构外形。对三种不同宽高比的凹腔燃烧室的内流场进行了模拟计算和分析；确立了镁粉颗粒的燃烧模型的基本思想与假设；对镁粉与氮气反应的燃烧模型进行了假设和简化；对镁粉与氮气反应进行了数值模拟。模拟结果表明：凹腔燃烧室作为一种特殊的燃烧室结构，能在凹腔内形成涡结构促进燃料的有效燃烧；镁粉颗粒的燃烧模拟得出镁粉确实可以和氮气反应产生大量的热量。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 相关领域的研究现状

1.3 本文研究的主要内容

2 燃烧过程的数学模型与数值模拟方法

2.1 基本控制方程

2.2 湍流模型

2.3 通用有限速率模型

2.4 颗粒轨道模型和离散相模型

2.5 镁粉颗粒燃烧模型

2.6 边界条件

2.7 本章小结

3 燃烧产物的预测与热力学参数的理论计算

3.1 最小自由能法

3.2 燃烧产物的预测与计算的方案

3.3 燃烧产物的预测与理论计算结果与讨论

3.4 本章小结

4 金属粉末贫氧推进系统的热力学分析

4.1 热力系统分析的方法

4.2 热力分析过程中的基本假设

4.3 理想热力过程性能分析计算

4.4 带加力系统与不带加力系统的性能比较

4.5 本章小结

5 镁粉在加力燃烧室中的燃烧模拟

5.1 燃烧模型的基本思想与假设

5.2 CFD软件模拟计算镁粉燃烧的机理及其模型实现的方式

5.3燃烧室几何模型的建立与冷态流场对比分析

5.4凹腔燃烧室中镁粉颗粒与氮气的燃烧模拟

5.5本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文