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固体燃料冲压发动机工作过程理论与试验研究

作　者: 郭健
导　师: 张为华
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 固体燃料冲压发动机燃烧室化学非平衡流湍流燃烧数值模拟工作过程仿真设计优化
分类号: V435
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

固体燃料冲压发动机具有比冲高、结构简单、可靠性高、安全性好等优点,在未来超声速导弹和增程炮弹中具有广泛应用前景。本文采用理论研究、数值模拟和试验研究相结合的方法对发动机内部燃烧流动过程进行深入研究,进而开展工作过程仿真和一体化设计优化技术研究。基于HTPB热分解及反应过程分析,建立了12组分、17反应的化学反应模型。采用二阶矩湍流燃烧模型,有效克服了常用的E—A模型、简化PDF模型等均无法正确描述固体燃料冲压发动机中化学反应速率和扩散速率处于同一量级的现象。在此基础上,采用雷诺平均N—S方程、BSL两方程湍流模型、化学非平衡方程和二阶矩湍流燃烧方程,建立了描述固体燃料冲压发动机燃烧室、补燃室和喷管内部燃烧流动过程的物理数学模型。在数值模拟中,采用计算药柱表面层流底层导热率的方法计算燃面退移速率,与采用经验公式计算对流换热系数的方法相比更能反映出传热过程物理本质,有效地提高了计算精度。运用时间相关的LU-SGS方法,采用强耦合的全隐式有限体积进行离散,其中无粘对流项采用三阶MUSCL型差分的AUSMPW+格式,并应用最大特征值分裂,将矩阵运算转化为代数运算,大大缩短了计算时间。在此基础上,编制了数值模拟软件。通过数值模拟分析了台阶高度、空气总温、燃烧室空气流量等对发动机性能的影响规律。在国内首次完成了无氧化剂固体燃料冲压发动机试验,发动机点火可靠,工作稳定。在国内首次采用三组元燃烧空气加热器和垂直软管连接方式,建立了新型固体燃料冲压发动机试验系统,推力测量精度高于采用轴向迷宫式密封连接方式;空气加热系统工作可靠性高,加热效率高。对不同总空气流量、燃烧室空气入口直径、燃烧室空气流量与总空气流量之比开展了试验研究。试验研究表明,总空燃比、补燃室压强和比冲随总空气流量减少而下降;减小燃烧室空气入口直径或增加燃烧室空气流量都使燃气流量上升,总空燃比和比冲下降。在工作过程仿真分析时,考虑到辐射传热和壁面加质的影响,建立了燃面退移速率工作过程仿真模型。在此基础上,建立了固体燃料冲压发动机工作过程仿真模型,编制了仿真计算程序,详细分析了固体燃料冲压发动机不同工况和结构参数对性能参数的影响规律。分析研究表明,在飞行速度与发动机效率之间存在平衡关系,导弹总体设计时需对这两个参数进行优化;通过选择合适设计点,以保证导弹巡航飞行时推力平稳;固体燃料冲压发动机设计飞行工况为稳定工况,能根据巡航导弹飞行高度和速度变化进行自适应调节。在发动机工作过程仿真分析的基础上,选取五个主要参数作为优化变量,建立了固体燃料冲压发动机一体化设计优化模型,结果表明优化方案可使导弹飞行距离提高24.8%。

全文目录

摘要  14-16
ABSTRACT  16-18
第一章绪论  18-35
  1.1 研究背景与意义  18-20
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  20-33
    1.2.1 相关研究计划及进展  20-23
    1.2.2 固体燃料冲压发动机试验研究  23-29
    1.2.3 固体燃料冲压发动机理论研究  29-31
    1.2.4 固体燃料冲压发动机数值模拟  31-33
  1.3 研究内容与论文章节安排  33-35
第二章固体燃料冲压发动机燃烧流动过程物理数学模型  35-49
  2.1 固体燃料冲压发动机燃烧流动过程分析  35-36
  2.2 雷诺平均N-S方程  36-40
    2.2.1 基本方程  37-39
    2.2.2 无量纲化  39
    2.2.3 坐标变换  39-40
  2.3 输运系数模型  40-41
  2.4 湍流模型  41-44
  2.5 化学反应模型  44-46
  2.6 湍流燃烧模型  46-47
  2.7 小结  47-49
第三章固体燃料冲压发动机燃烧流动过程数值模拟  49-73
  3.1 数值计算方法及验证  49-59
    3.1.1 有限体积法  49-51
    3.1.2 LU-SGS隐式方法  51-53
    3.1.3 无粘对流项离散方法  53-56
    3.1.4 计算验证  56-59
  3.2 固体燃料冲压发动机数值模拟及结果分析  59-72
    3.2.1 边界条件和初始条件  59-60
    3.2.2 计算边界及网格划分  60
    3.2.3 燃烧室内流场分析  60-66
    3.2.4 补燃室内流场分析  66-71
    3.2.5 发动机性能分析  71-72
  3.3 小结  72-73
第四章固体燃料冲压发动机工作过程试验研究  73-88
  4.1 固体燃料冲压发动机试验系统设计  73-81
    4.1.1 试车台  73-76
    4.1.2 空气加热系统  76-77
    4.1.3 测控系统  77-78
    4.1.4 供应系统  78
    4.1.5 试验发动机  78-81
  4.2 固体燃料冲压发动机试验结果及分析  81-87
    4.2.1 试验数据处理  81-82
    4.2.2 试验结果及分析  82-87
  4.3 小结  87-88
第五章固体燃料冲压发动机工作过程仿真  88-109
  5.1 固体燃料冲压发动机工作过程分析  88-89
  5.2 燃面退移速率仿真  89-92
  5.3 进气道性能仿真  92-95
  5.4 补燃室性能仿真  95-97
  5.5 固体燃料冲压发动机工作过程仿真计算及结果分析  97-108
    5.5.1 增程炮弹用固体燃料冲压发动机工作过程仿真  98-100
    5.5.2 超声速巡航靶弹用固体燃料冲压发动机工作过程仿真  100-108
  5.6 小结  108-109
第六章固体燃料冲压发动机设计优化  109-125
  6.1 固体燃料冲压发动机设计  109-116
    6.1.1 进气道设计  109-114
    6.1.2 发动机设计计算流程  114-116
  6.2 固体燃料冲压发动机设计优化  116-124
    6.2.1 发动机设计优化模型  116-118
    6.2.2 优化算法  118-121
    6.2.3 计算结果及分析  121-124
  6.3 小结  124-125
结束语  125-129
致谢  129-130
参考文献  130-138
作者在学期间取得的学术成果  138

固体燃料冲压发动机工作过程理论与试验研究

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