超燃冲压发动机燃烧室工作过程理论和试验研究

超燃冲压发动机燃烧室工作过程理论和试验研究

余勇

【摘要】：本文综合运用理论分析、试验研究和数值模拟等多种手段,对煤油燃料超燃冲压发动机燃烧室的性能分析评价方法、方案设计及其优化、点火燃烧性能及其影响因素、内流场结构及其特点进行了系统深入的研究,取得了很多有意义的成果。提出了超燃冲压发动机燃烧室的性能分析评价方法。开发了燃烧室两相多组分一元反应流分析程序,为超声速燃烧室方案设计阶段的快速性能评估与设计优化提供了一种有效的手段。在燃料射流穿透度概念的基础上,提出了燃料射流相对穿透度的概念,并将其成功应用于发动机点火燃烧性能的分析。进行了338次相同模拟条件、不同发动机点火方式、结构和工作参数下的超燃冲压模型发动机试验,对煤油燃料超燃冲压发动机燃烧室的点火燃烧性能及其影响因素进行了系统的研究。结果发现,利用全高度支板前缘产生的斜激波可以实现煤油的自燃着火和稳定燃烧,但支板太厚可能致使燃烧室壅塞。利用半高度后掠支板和氢气引导火焰相结合的点火方式,也可以实现煤油的可靠点火和稳定燃烧。由于受射流相对穿透度影响,氢气引导火焰的点火特性和燃烧室尺度有关,表现出明显的尺度效应。当利用点火器强制点火时,存在一个能够点火的能量阈值。煤油能够维持稳定燃烧且不出现热壅塞的当量比范围与点火方式和燃烧室构型等因素密切相关。燃料喷注压降和当量比、燃料喷嘴位置、燃料射流相对穿透度、点火方式、燃烧室结构、凹腔火焰稳定器结构等因素影响发动机燃烧室燃烧性能。

【关键词】：超燃冲压发动机燃烧室性能分析设计参数分析点火特性燃烧性能理论分析试验研究数值模拟

【学位授予单位】：国防科学技术大学

【学位级别】：博士

【学位授予年份】：2004

【分类号】：V235

【目录】：

∙目录4-8

∙插图目录8-11

∙插表目录11-12

∙摘要12-13

∙ABSTRACT13-14

∙符号说明14-18

∙第一章绪论18-40

∙1．1 超燃冲压发动机研究发展综述18-30

∙1．1．1 研究背景18-19

∙1．1．2 超燃冲压发动机研究发展简史19-29

∙1．1．3 超燃冲压发动机技术发展展望29-30

∙1．2 超燃冲压发动机燃烧室工作过程研究现状30-37

∙1．2．1 概述30

∙1．2．2 关键技术30-32

∙1．2．3 研究进展32-37

∙1．3 本文主要研究内容37-40

∙第二章超燃冲压发动机燃烧室性能分析评价方法研究40-60 ∙2．1 引言40

∙2．2 超燃冲压发动机燃烧室性能评价方法40-43

∙2．3 两相多组分一元反应流方法43-58

∙2．3．1 连续相模型43-47

∙2．3．2 离散相模型47-50

∙2．3．3 两相耦合模型50-51

∙2．3．4 化学动力学模型与组分方程51

∙2．3．5 两相多组分一元反应流分析程序编制51-56

∙2．3．6 燃烧室性能分析56-58

∙2．4 小结58-60

∙第三章超燃冲压发动机燃烧室内型面分析60-72

∙3．1 引言60

∙3．2 超燃冲压模型发动机内型面设计60-65

∙3．2．1 发动机内通道几何参数确定61-63

∙3．2．2 凹腔、喷注面板、支板设计63-65

∙3．3 超燃冲压发动机燃烧室内型面参数分析65-69

∙3．3．1 计算条件66-67

∙3．3．2 第一燃烧室67-68

∙3．3．3 第二燃烧室68

∙3．3．4 燃烧室扩张段68-69

∙3．4 超燃冲压发动机燃烧室内型面参数组合优化69-71

∙3．5 小结71-72

∙第四章超燃冲压发动机燃烧室加热规律研究72-80

∙4．1 引言72

∙4．2 超燃冲压发动机加热规律的特点72-75

∙4．3 燃料喷嘴位置对模型发动机性能的影响75-77

∙4．4 燃料当量比对模型发动机性能的影响77

∙4．5 燃料加热规律的试验研究77-79

∙4．6 小结79-80

∙第五章超燃冲压发动机点火特性研究80-104

∙5．1 引言80

∙5．2 燃烧室区域着火与火焰稳定条件分析80-81

∙5．3 超燃冲压发动机直连式试验研究基础81-87

∙5．3．1 试验系统82-84

∙5．3．2 关键试验技术84-87

∙5．4 支板诱导斜激波点火特性研究87-90

∙5．4．1 8kg/s模型发动机支板诱导斜激波点火特性研究87-88

∙5．4．2 2kg/s模型发动机支板诱导斜激波点火特性研究88-89

∙5．4．3 试验结果分析89-90

∙5．5 氢气引导火焰点火特性研究90-94

∙5．5．1 8kg/s模型发动机支板诱导斜激波点火特性研究91

∙5．5．2 2kg/s模型发动机支板诱导斜激波点火特性研究91-94

∙5．6 点火器强制点火特性研究94-96

∙5．7 超燃冲压发动机点火特性影响因素分析96-102

∙5．7．1 当量比对模型发动机点火特性的影响97-100

∙5．7．2 燃料射流相对穿透度对模型发动机点火特性的影响100-102 ∙5．8 小结102-104

∙第六章超燃冲压发动机燃烧性能研究104-124

∙6．1 引言104

∙6．2 超燃冲压发动机燃烧效率分析104-111

∙6．2．1 超燃冲压发动机效率分析104-106

∙6．2．2 超燃冲压模型发动机燃烧效率计算方法106-109

∙6．2．3 直连式超燃冲压模型发动机燃烧效率计算实例109-111

∙6．3 超燃冲压发动机燃料喷注方案研究111-114

∙6．3．1 燃料喷注方案构成因素分析111-112

∙6．3．2 喷嘴位置对超燃冲压发动机性能的影响112-113

∙6．3．3 喷注压降对超燃冲压发动机性能的影响113-114

∙6．4 支板凹腔结构对超燃冲压发动机性能影响分析114-116

∙6．4．1 支板凹腔阻力特性研究114-115

∙6．4．2 支板凹腔结构对超燃冲压发动机性能的影响115-116

∙6．5 燃料射流相对穿透度对超燃冲压发动机性能影响分析116-119 ∙6．5．1 燃料射流穿透度的经验计算公式116-117

∙6．5．2 燃料射流相对穿透度对发动机性能影响分析117-119

∙6．6 燃料当量比对超燃冲压发动机性能影响分析119

∙6．7 点火方式对超燃冲压发动机性能影响分析119-122

∙6．8 小结122-124

∙第七章超燃冲压发动机燃烧室工作过程数值仿真124-146

∙7．1 引言124-125

∙7．2 燃烧流动控制方程125-128

∙7．2．1 气相控制方程125-127

∙7．2．2 液相控制方程127-128

∙7．3．物理模型128-132