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亚燃冲压发动机燃烧室数值仿真与试验研究

作　者: 王复杰
导　师: 王振国
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 亚燃冲压发动机火焰稳定突扩凹腔 V形槽数值仿真
分类号: TJ760.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

冲压发动机是超音速导弹的最佳动力装置,在超音速飞行范围内具有比火箭发动机、涡轮喷气发动机更优越的性能,具有广泛的军事和商业应用背景,是目前各航空航天大国的研究重点之一。亚燃冲压发动机燃烧室作为发动机的关键部件,对整个发动机系统性能的发挥具有举足轻重的作用,而火焰稳定一直是燃烧室设计和试验中的关键问题。本文抓住当前研究的热点,以仿真和试验为主要手段,对采用突扩、凹腔、V形槽三种火焰稳定方式的亚燃冲压发动机燃烧室进行了深入研究。建立了用于亚燃冲压发动机仿真的数学模型,对采用上述三种火焰稳定方式的冲压发动机进行一体化数值仿真,分析了它们的冷流和燃烧流场结构、沿流向的总压变化趋势以及燃烧效率的高低。仿真结果表明,突扩、单V形槽和凹腔燃烧室燃烧流场结构存在相似性。在一体化仿真的基础上,针对凹腔和双V形槽燃烧室,开展了详细的结构参数仿真研究。研究表明:对凹腔火焰稳定器:凹腔长度和后壁倾角A的变化对燃烧效率和总压损失的影响呈现出相反的变化趋势。凹腔长度的增大有利于提高整体性能,但存在一个最佳的凹腔长度。后壁倾角A=45°时的构型具有较高的综合性能。增大前后壁的高差H和增大凹腔长深比L/D可以增加燃烧效率,而且总压损失上升的幅度也小一些。对双V形槽火焰稳定器,发现喷雾的位置以及两个V形槽的相对位置R1、R2都存在着一个最优值。进行了亚燃冲压发动机高空台直连式试验。对不同燃油喷注方式、不同喷注压降、不同火焰稳定器构型下的点火和火焰稳定性能进行了研究。通过试验实现了低压下的点火并稳定燃烧。

全文目录

目录  5-8
表目录  8-9
图目录  9-12
符号表  12-14
摘要  14-15
ABSTRACT  15-16
第一章绪论  16-22
  1.1 研究背景  16-17
  1.2 冲压发动机火焰稳定技术发展现状  17-19
  1.3 凹腔火焰稳定器的发展现状  19-21
  1.4 本文研究思路与内容  21-22
第二章数值计算方法  22-33
  2.1 燃烧流动控制方程  22-25
    2.1.1 N-S方程组  22-23
    2.1.2 液相控制方程  23-25
  2.2 基本物理模型  25-29
    2.2.1 湍流模型  25-26
    2.2.2 喷雾模型  26-27
    2.2.3 蒸发模型  27
    2.2.4 两相流模型  27-28
    2.2.5 化学反应动力学模型  28-29
  2.3 数值计算方法  29-32
    2.3.1 微分方程离散化  29
    2.3.2 源项线性化  29-30
    2.3.3 网格生成  30-31
    2.3.4 定解条件  31-32
  2.4 小结  32-33
第三章亚燃冲压发动机一体化数值仿真研究  33-56
  3.1 燃烧室性能评价指标  33-35
    3.1.1 发动机推力  34
    3.1.2 总压恢复系数  34-35
    3.1.3 燃烧效率特性  35
  3.2 仿真模型  35-37
  3.3 突扩燃烧室凹腔和单V形槽燃烧室燃烧性能分析  37-50
    3.3.1 突扩燃烧室性能仿真结果分析  37-42
    3.3.2 单V形槽燃烧室性能仿真结果分析  42-46
    3.3.3 凹腔燃烧室性能仿真结果分析  46-50
  3.4 燃烧室构型和燃料喷射方式对燃烧室性能的影响  50-54
    3.4.1 燃烧室长度对凹腔和突扩燃烧室性能的影响  50-53
    3.4.2 燃烧室喉部对燃烧室性能的影响  53-54
    3.4.3 燃料喷射对燃烧室性能的影响  54
  3.5 小结  54-56
第四章凹腔与双V形槽火焰稳定器影响因素研究  56-69
  4.1 计算模型  56-57
  4.2 凹腔结构对燃烧性能的影响  57-62
    4.2.1 凹腔长度的影响  58-59
    4.2.2 后壁角度影响  59-60
    4.2.3 凹腔长深比的影响  60
    4.2.4 前后壁高差的影响  60-62
  4.3 双V形槽结构对燃烧室燃烧的影响分析  62-67
    4.3.1 双V形槽结构对燃烧室燃烧流场  62-63
    4.3.2 喷油位置对总压损失和燃烧效率的影响  63-64
    4.3.3 径向间距dR的变化对总压损失和燃烧效率的影响  64-65
    4.3.4 轴向距离dL变化对燃烧效率和总压损失的影响  65-66
    4.3.5 火焰稳定器形状对燃烧效率和总压损失的影响  66-67
  4.4 小结  67-69
第五章亚燃冲压发动机燃烧室低压条件下的试验研究  69-86
  5.1 亚燃高空试验台  69-73
    5.1.1 燃烧室试验段  70
    5.1.2 空气加热器  70-71
    5.1.3 试验控制与测量系统  71-72
    5.1.4 管路供应系统  72
    5.1.5 点火系统  72-73
    5.1.6 真空系统  73
  5.2 试验系统调试  73-77
    5.2.1 燃气发生器调试  73-76
    5.2.2 空气加热器调试  76-77
  5.3 试验结果分析  77-85
    5.3.1 试验步骤及主要试验结果  77-78
    5.3.2 不同燃料喷射方式的对比  78-80
    5.3.3 喷注压降的影响  80-82
    5.3.4 混合增强器的影响  82-83
    5.3.5 不同火焰稳定器的对比  83-84
    5.3.6 低压条件下的成功点火  84-85
  5.4 小结  85-86
第六章总结与展望  86-88
致谢  88-90
参考文献  90-96
攻读硕士学位期间所发表的论文  96

亚燃冲压发动机燃烧室数值仿真与试验研究

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