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低总温空气加热器数值仿真与试验研究

作　者: 刘友朋
导　师: 沈赤兵
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 低总温空气加热器数值仿真喷雾燃烧燃烧效率点火
分类号: V433.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 26次
引　用: 1次
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内容摘要

本文以低总温空气加热器为研究对象,从数值仿真与试验调试两个方面研究了结构参数和工作参数对低总温空气加热器性能的影响。首先,针对低总温空气加热器内部的喷雾燃烧过程建立了一套数学模型和计算方法。应用三维湍流完全N—S方程及颗粒轨道模型描述了加热器内部的喷雾燃烧过程,考虑两相之间的质量、能量交换,气相化学反应速率由Eddy-Dissipation模型计算。应用上述模型对某低总温空气加热器内部的喷雾燃烧过程进行了数值仿真,分析了其流场结构,研究了其内部燃烧效率沿加热器轴线方向的变化。其次,根据对低总温空气加热器内流场的仿真结果,分析了对其性能产生影响的多个参数,设计了多个相应的对比工况进行数值仿真,通过对不同结构参数和工作参数下的内流场仿真结果对比,分析了空气流量分配、喷嘴位置、喷嘴喷射方向、燃烧室长度等参数对加热器的燃烧性能、热防护状态及出口流场均匀性的影响,发现喷注器空气流量对燃烧过程及喷注面板的热防护影响较大,燃烧室轴向入口空气对燃烧室壁面形成有效的气膜保护,喷嘴位置变化对燃烧过程影响不明显,但是对喷注面板的热防护影响较大,燃烧室长度缩短会导致出口的不均匀性增大。最后,依据现有条件,对低总温空气加热器进行了试验研究,考察了喷注器空气流量变化时加热器的点火稳定性、燃烧效率及出口总温均匀度的变化规律,试验发现:喷注器空气流量较低时,在一定范围内,燃烧效率接近100%且受喷注器空气流量的影响很小,喷注器空气流量超出该范围时空气加热器燃烧效率迅速下降,出口总温降低且均匀度下降,喷注器空气流量过大会导致点火失败。

全文目录

图目录  7-9
表目录  9-10
摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
符号说明  12-13
第一章绪论  13-23
  1.1 研究背景及意义  13
  1.2 国内外研究现状  13-21
    1.2.1 空气加热器的国内外研究现状  13-18
    1.2.2 数值仿真技术的发展及意义  18-20
    1.2.3 低总温空气加热器的结构特点  20-21
  1.3 本文研究的主要内容  21-23
第二章喷雾燃烧计算模型及数值计算方法  23-39
  2.1 控制方程  23-29
    2.1.1 气相控制方程组  23-24
    2.1.2 气相控制方程的通用形式  24
    2.1.3 液相控制方程组  24-29
  2.2 基本物理模型  29-32
    2.2.1 湍流模型  29-30
    2.2.2 化学反应模型  30-32
  2.3 数值方法  32-37
    2.3.1 微分方程离散化  32-34
    2.3.2 源项线性化  34
    2.3.3 网格生成  34-36
    2.3.4 物理模型及物性参数选择  36
    2.3.5 分离求解法与耦合求解法  36-37
    2.3.6 边界条件  37
  2.4 小结  37-39
第三章低总温空气加热器燃烧过程仿真  39-49
  3.1 引言  39
  3.2 空气加热器结构参数及工作参数  39-41
  3.3 内流场燃烧过程仿真  41-46
    3.3.1 计算网格及初边值处理  41-43
    3.3.2 流场计算结果分析  43-46
  3.4 空气加热器燃烧效率计算  46-48
    3.4.1 推进剂燃烧效率  46-47
    3.4.2 不同截面上燃烧效率比较  47-48
  3.5 小结  48-49
第四章低总温空气加热器的改进方案设计  49-66
  4.1 引言  49
  4.2 空气流量的分配方案  49-56
    4.2.1 空气流量分配对流场的影响分析  49-50
    4.2.2 空气流量的分配方案设计  50-51
    4.2.3 不同方案的仿真结果对比分析  51-56
  4.3 喷嘴位置对内流场的影响  56-58
  4.4 喷嘴喷射方向对内流场的影响  58-60
  4.5 燃烧室长度对内流场的影响  60-62
  4.6 喷注面板冷却水流场仿真与改进  62-64
  4.7 小结  64-66
第五章低总温空气加热器试验研究  66-79
  5.1 引言  66
  5.2 试验方案设计  66-68
    5.2.1 试验目的  66
    5.2.2 试验内容  66-67
    5.2.3 试验研究方法  67-68
  5.3 加热器出口总温测量组件的设计  68-69
  5.4 试验系统设计  69-71
    5.4.1 试验台架  70
    5.4.2 供应系统  70-71
    5.4.3 测控系统  71
  5.5 试验结果与仿真结果对比分析  71-78
    5.5.1 空气加热器点火过程研究  71-74
    5.5.2 空气加热器燃烧效率  74-76
    5.5.3 空气加热器出口均匀度  76-78
  5.6 小结  78-79
第六章结论与展望  79-81
致谢  81-82
参考文献  82-84
作者在学期间取得的学术成果  84

低总温空气加热器数值仿真与试验研究

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