冷态超声速发动机中横向煤油射流结构特性研究

摘要

超声速发动机是高超声速推进设备的核心部件，提高其燃料和空气的有效混合效率是改善超声速燃烧器效率的核心科学问题。
　　论文以某型超声速冷态超燃发动机燃烧室为研究对象，基于欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange)方法的DPM离散相模型，K-H和R-T(Kelvin-Helmholtz和Rayleigh-Taylor)混合雾化模型，SSTk-ω湍流模型，表面蒸发等模型，采用计算流体动力学方法，主要研究煤油在冷态超声速气流中的喷射、雾化以及混合情况。具体工作如下:
　　1)详细介绍了本文采用的计算方法和控制方程，如基于多相流的容积追踪和界面追踪方法、基于离散相DPM(Discrete Phase Model)模型的拉格朗日方法以及雾滴流湍流、雾化和蒸发等模型。
　　2)冷态超声速发动机中单孔射流的喷孔直径、喷注角度和喷注压降对煤油射流穿透深度、射流展向扩展特性、射流激波角度、流场总压损失以及煤油颗粒SMD(Sauter Mean Diameter)分布等射流喷注特性的影响。结果表明:煤油射流穿透深度、展向扩展范围、激波角度都随着射流喷孔直径、喷注角度、喷注压降的增大而增大，超声速内部气流总压损失也随之增加等;
　　3)冷态超声速发动机中双孔射流的射流穿透深度、射流展向扩展特性、射流激波角度、流场总压损失以及煤油颗粒SMD分布等射流喷注特性的变化情况。结果表明:与单孔比较，采用展向组合方式时煤油射流的展向扩展分布显著增大，穿透深度略有增加，射流激波角度和气流总压损失都随之增大;对于顺流向双孔组合方式，与单孔比较，顺流向双孔喷注使得煤油射流穿透深度随之增大，但是单孔喷注的射流展向扩展变化不大且出现前后两道激波，总压损失增大。
　　计算结果与相关文献试验测试结果比对，具有较好的一致性。本课题的研究结果为深入理解冷态超声速气流中煤油射流雾化的基本机理、优化超声速发动机结构设计提供了理论依据。研究结果对提高煤油燃烧效率，提高火焰稳定装置性能也具有较好的实际意义。

目录

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致谢

摘要

插图清单

附表清单

1 绪论

1．1 冷态超声速发动机中横向射流的研究背景及意义

1．2 冷态超声速发动机中横向射流的理论研究现状

1．3 冷态超声速发动机中横向射流的数值模拟研究现状

1．3．1 数值模拟方法简介

1．3．2 界面追踪方法的概述及应用

1．3．3 拉格朗日粒子追踪方法的概述及应用

1．4 本文主要研究工作和结构安排

2 数值模拟方法

2．1 计算流体力学的概述及其发展

2．2 流体力学控制方程

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动量守恒方程

2．2．3 能量守恒方程

2．4 Eluer-Lagrange方法的DPM离散相模型

2．4．1 雾化模型

2．4．2 蒸发模型

2．4．3 湍流模型

2．5．2 Fluent软件简介

2．6 超声速发动机模型与计算方法

2．6．1 流场计算模型建立

2．6．2 网格划分

2．6．3 边界条件的设定

2．6．4 Fluent求解参数设置

3 冷态超声速气流中单孔射流结构特性研究

3．1．1 不同喷孔直径工况下穿透深度的变化

3．1．2 不同喷孔直径工况下展向扩展特性的变化

3．1．3 不同喷孔直径工况下激波角度的变化

3．1．4 不同喷孔直径工况下气流总压损失的变化

3．1．5 不同喷孔直径工况下粒径SMD分布的变化

3．2 喷注角度对煤油射流结构特性的影响

3．2．1 不同喷注角度工况下穿透深度的变化

3．2．2 不同喷注角度工况下展向扩展特性的变化

3．2．3 不同喷注角度工况下激波角度的变化

3．2．4 不同喷注角度工况下气流总压损失的变化

3．2．5 不同喷注角度工况下粒径SMD分布的变化

3．3 喷注压降对煤油射流结构特性的影响

3．3．1 不同喷注压降工况下穿透深度的变化

3．3．2 不同喷注压降工况下展向扩展特性的变化

3．3．3 不同喷注压降工况下激波角度的变化

3．3．4 不同喷注压降工况下气流总压损失的变化

3．3．5 不同喷注压降工况下粒径SMD分布的变化

4 冷态超声速气流中多孔煤油射流组合结构特性研究

4．1．1 展向多孔射流组合喷注对穿透深度的影响

4．1．2 展向多孔射流组合喷注对展向扩展特性的影响

4．1．3 展向多孔射流组合喷注对激波角度的影响

4．1．4 展向多孔射流组合喷注对气流总压损失的影响

4．1．5 展向多孔射流组合喷注对粒径SMD分布的影响

4．2 顺流向多孔射流组合结构特性研究

4．2．1 顺流向多孔射流组合喷注对穿透深度的影响

4．2．2 顺流向多孔射流组合喷注对展向扩展特性的影响

4．2．3 顺流向多孔射流组合喷注对激波角度的影响

4．2．4 顺流向多孔射流组合喷注对气流总压损失的影响

4．2．5 顺流向多孔射流组合喷注对粒径SMD分布的影响

5 全文总结与展望

参考文献

个人简介

在读期间发表的论文