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水冲压发动机镁颗粒燃烧机理试验研究

作　者: 朱千稳
导　师: 刘冰
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 水冲压发动机 镁颗粒与水燃烧 试验研究 着火温度 燃烧时间
分类号: V430
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 23次
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内容摘要


目前国内镁基金属燃料水冲压发动机的研究工作主要集中于镁基推进剂和发动机性能试验,但对发动机内部镁颗粒与水蒸气反应的具体物理过程尚无清晰的描述和准确的计算模型。本文采用试验研究为主并与理论分析、数值模拟相结合的方式,对镁颗粒在水蒸气环境下着火燃烧的物理过程及着火温度、燃烧时间等特性进行机理研究,为进一步开展镁基金属燃料水冲压发动机内部燃烧组织研究打下一定的基础。结合金属颗粒着火燃烧基本理论,采用设计的具有有效观测手段的试验系统,开展了多种粒径镁颗粒在空气中的燃烧试验研究。得到了镁颗粒在空气中的着火温度和燃烧时间等特性数据,在观察分析镁颗粒着火燃烧的试验现象和数据的基础上,总结得出了镁颗粒在空气中着火燃烧的主要物理过程和相关特性参数。依据镁颗粒在空气中的燃烧试验及分析结果,通过合理设计试验内容、丰富观测手段,开展了镁颗粒在水蒸气中燃烧试验研究。得出单个镁颗粒在静止水蒸气中着火是由化学反应动力学控制的多相反应过程,燃烧是由扩散控制的气相燃烧过程的结论,且燃烧过程中产生特殊的絮状物。在本文试验水蒸气环境下,镁颗粒直径和水蒸气压力的变化对颗粒着火温度的影响较小,水蒸气压力变化对颗粒燃烧时的火焰最高温度影响较大,镁颗粒燃烧时间在直径较小时基本符合D 2定律。分析总结镁颗粒在水蒸气及空气中燃烧的试验现象和数据,得到了镁颗粒在水冲压发动机内的着火和燃烧模型,与将镁处理为镁蒸气的数值模拟方法作对比,进行了水冲压发动机内部燃烧组织数值模拟研究,研究结果表明采用镁颗粒在水冲压发动机内着火和燃烧模型的数值模拟研究更能体现发动机内部燃烧的实际过程。

全文目录


摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章 绪论  11-18
  1.1 研究背景  11-13
  1.2 国内外相关研究  13-17
    1.2.1 金属颗粒燃烧研究  13-15
    1.2.2 镁颗粒燃烧试验研究  15-17
  1.3 本文的主要研究内容  17-18
第二章 镁颗粒在空气中燃烧试验研究  18-35
  2.1 引言  18
  2.2 金属颗粒着火燃烧基础理论  18-21
    2.2.1 金属颗粒着火模型  18-20
    2.2.2 镁颗粒着火燃烧模型  20-21
  2.3 试验系统设计  21-27
    2.3.1 试验目的与试验内容  21
    2.3.2 试验系统组成及原理  21-22
    2.3.3 试验设备及评估  22-27
  2.4 试验结果分析  27-33
    2.4.1 颗粒着火过程及分析  27-31
    2.4.2 颗粒燃烧过程及分析  31-33
  2.5 本章小结  33-35
第三章 镁颗粒在水蒸气中燃烧试验研究  35-56
  3.1 引言  35
  3.2 试验系统设计  35-42
    3.2.1 试验目的与试验内容  35
    3.2.2 系统组成及原理  35-37
    3.2.3 试验设备  37-39
    3.2.4 颗粒燃烧过程中的压力及温度环境  39-42
  3.3 试验结果分析  42-55
    3.3.1 燃烧过程分析  42-47
    3.3.2 颗粒及火焰温度分析  47-50
    3.3.3 颗粒燃烧时间分析  50-55
  3.4 本章小结  55-56
第四章 喷嘴特性对水冲压发动机性能影响数值模拟研究  56-75
  4.1 引言  56
  4.2 数值计算模型  56-66
    4.2.1 镁液滴着火和燃烧模型  56-58
    4.2.2 气相控制方程  58-59
    4.2.3 颗粒轨道模型  59-62
    4.2.4 液滴蒸发模型  62-63
    4.2.5 湍流流动模型  63-64
    4.2.6 组分输运和反应模型  64-65
    4.2.7 边界条件  65
    4.2.8 初始条件  65
    4.2.9 模型发动机和计算网格  65-66
  4.3 数值模拟结果对比分析  66-69
    4.3.1 内流场对比分析  66-68
    4.3.2 发动机试验对比分析  68-69
  4.4 喷嘴特性对水冲压发动机性能影响研究  69-74
    4.4.1 一次喷嘴雾化锥角的影响  70-72
    4.4.2 一次喷嘴喷射速度的影响  72-74
  4.5 本章小结  74-75
第五章 结束语  75-78
  5.1 主要结论  75-76
  5.2 下一步研究工作展望  76-78
致谢  78-79
参考文献  79-83
作者在学期间取得的学术成果  83

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 推进系统（发动机、推进器） > 发动机理论与计算
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