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高增压比多喷管超声速引射器设计理论、方法与实验研究

作　者: 吴继平
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: 超声速引射器多喷管高增压比第二喉道启动性能负载匹配压力匹配特征线方法实验研究
分类号: V416.5
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

论文以高增压比多喷管超声速引射器为研究对象,系统地研究了超声速引射器的设计理论,建立了固定第二喉道超声速引射器启动性能和引射性能的准二维分析模型,设计了高增压比多喷管超声速引射器,并采用实验与数值仿真相结合的方法系统深入地研究了高增压比多喷管超声速引射器的启动特性和负载匹配特性。通过喷管构型因子的引入统一了中心引射、环形引射和多喷管引射的控制体方程,建立了针对等截面混合引射器、等压混合引射器和可调第二喉道理想引射器的参数优化设计模型,并研究了设计参数对引射性能的影响规律。建立了固定第二喉道引射器完整的启动性能和引射性能准二维分析模型,并系统地研究了引射器设计参数对引射性能的影响。该模型采用特征线分析方法结合Korst再压缩判据计算引射器盲腔压力,结合一维控制体分析方法求解第二喉道极限收缩比、最小启动压比;采用常压湍流混合模型模拟一、二次流之间的混合作用;针对高增压比引射器,对二次流处于壅塞状态时的分析进行了简化。设计了几何结构可调的模型引射器,研究了引射器的启动和不启动过程,提出了判断第二喉道面积过小导致引射器无法启动的判据。根据理论分析结果提出了解决引射器不启动问题的多种方案,并分析了各种方案的优缺点和适用范围。设计了单模块多喷管超声速引射器,建立了单模块超声速引射器实验系统,采用燃气作为一次流工质对引射器的启动性能进行了实验研究。结合数值计算结果,深入地研究了引射喷管安装构型、引射喷管型面、第二喉道收缩比以及引射喷管安装构型与引射管道的匹配等因素对引射器启动性能的影响。结果表明:引射喷管型面和引射喷管安装构型与引射管道的匹配对引射器启动性能影响较大。采用模拟器产生高温二次流对引射器的负载匹配特性进行了研究,结果表明多喷管引射器完全可以满足二次流对引射增压能力和压力匹配能力的需求。系统地研究了一次流总压和总温对引射性能的影响、二次流入口参数对引射性能需求的影响以及引射器几何结构参数对引射增压能力和压力匹配能力的影响。创造性地提出了将二次流作为“助推器”改善多喷管超声速引射器在较低工况下自启动性能的思想。

全文目录

目录  5-9
表目录  9-10
图目录  10-14
摘要  14-15
ABSTRACT  15-17
符号说明  17-19
第一章绪论  19-37
  1.1 研究背景与意义  19-20
  1.2 超声速引射器研究进展  20-35
    1.2.1 概述  20-23
    1.2.2 理论研究进展  23-27
    1.2.3 实验研究进展  27-28
    1.2.4 若干关键技术研究进展  28-34
    1.2.5 国内相关研究进展  34
    1.2.6 存在的问题和不足  34-35
  1.3 本文研究内容  35-37
第二章超声速引射器一维设计理论与方法  37-61
  2.1 一维控制体分析基本方程  37-41
    2.1.1 混合室控制方程  38-40
    2.1.2 扩散段控制方程  40-41
  2.2 等截面混合室超声速引射器参数设计  41-50
    2.2.1 混合室动量守恒方程  41-43
    2.2.2 等截面混合引射器设计参数优化过程与结果分析  43-48
    2.2.3 等截面混合引射器参数优化计算流程  48-50
  2.3 等压混合超声速引射器参数设计  50-53
    2.3.1 混合室动量守恒方程  51
    2.3.2 等压混合引射器设计参数求解过程  51
    2.3.3 等压混合引射器参数优化结果与讨论  51-53
  2.4 第二喉道可调的理想引射器参数优化设计方法  53-60
    2.4.1 参数优化设计方法  53-55
    2.4.2 优化计算结果与分析  55-60
  2.5 小结  60-61
第三章固定第二喉道超声速引射器准二维理论与方法  61-97
  3.1 引射器启动性能分析模型  62-84
    3.1.1 启动性能分析理论基础  62-65
    3.1.2 引射器启动性能分析模型与计算方法  65-76
    3.1.3 设计参数对引射器启动性能的影响  76-84
  3.2 第二喉道引射器引射性能分析模型  84-95
    3.2.1 引射性能分析理论与方法  84-92
    3.2.2 设计参数对引射器性能的影响  92-95
  3.3 小结  95-97
第四章实验系统与数值计算方法介绍  97-113
  4.1 单模块多喷管超声速引射器实验台  97-104
    4.1.1 实验系统  97-98
    4.1.2 燃气发生器  98
    4.1.3 模拟器  98-99
    4.1.4 引射器构型  99
    4.1.5 测控系统  99-101
    4.1.6 压力扫描阀  101
    4.1.7 静压测点分布  101-102
    4.1.8 可换喉道的引射喷管  102-104
    4.1.9 转工况调节系统  104
  4.2 模型引射器实验系统  104-108
    4.2.1 模型引射器系统  104-105
    4.2.2 模型引射器构成  105-107
    4.2.3 自动流量调节系统  107-108
    4.2.4 真空辅助设备  108
  4.3 数值计算方法  108-112
    4.3.1 控制方程  108-109
    4.3.2 湍流模型  109-110
    4.3.3 数值方法  110
    4.3.4 流场特点和计算策略  110-111
    4.3.5 算例验证  111-112
  4.4 小结  112-113
第五章多喷管超声速引射器启动特性实验研究  113-151
  5.1 实验方案  113-115
  5.2 典型实验过程  115-118
    5.2.1 典型单工况实验过程  115-116
    5.2.2 典型转工况实验过程  116-118
  5.3 引射器启动模式  118-120
    5.3.1 “脉冲启动”模式  118-119
    5.3.2 “硬启动”模式  119-120
  5.4 引射器不启动问题研究  120-132
    5.4.1 第二喉道收缩比过小导致引射器不启动工作过程  120-124
    5.4.2 一次流总压不足导致引射器不启动工作过程  124-127
    5.4.3 引射器正常启动工作过程  127-130
    5.4.4 引射器不启动原因的判据  130
    5.4.5 引射器第二喉道不启动问题解决方案  130-132
  5.5 多喷管超声速引射器启动性能及相关问题  132-140
    5.5.1 多喷管超声速引射器启动性能  132-133
    5.5.2 第二喉道收缩比对启动性能的影响  133-134
    5.5.3 引射器保持启动状态对流量的要求  134-135
    5.5.4 第二喉道临界启动状态迟滞效应的消失  135-137
    5.5.5 一次流发生冷凝对引射器启动性能的影响  137-140
  5.6 引射器结构参数对启动性能的影响  140-149
    5.6.1 引射喷管型面的影响  140-141
    5.6.2 引射喷管安装构型的影响  141-145
    5.6.3 管道截面形状与喷管构型匹配的影响  145-149
  5.7 小结  149-151
第六章多喷管超声速引射器负载匹配特性实验研究  151-167
  6.1 典型带二次流多喷管超声速引射器工作过程  151-153
  6.2 一次流工作参数对引射器负载匹配特性的影响  153-157
    6.2.1 一次流总压的影响  153-154
    6.2.2 转工况时序的影响  154-155
    6.2.3 一次流冷凝的影响  155-157
  6.3 二次流入口参数对引射器负载匹配特性的影响  157-160
    6.3.1 二次流总温T_(ts)一定，二次流总压p_(ts)的影响  157-158
    6.3.2 二次流总压p_(ts)一定，二次流总温T_(ts)的影响  158-159
    6.3.3 二次流对一次流的“助推”作用  159-160
  6.4 引射器结构参数对负载匹配特性的影响  160-165
    6.4.1 引射喷管安装构型的影响  160-161
    6.4.2 引射喷管型面的影响  161-162
    6.4.3 管道截面形状与引射喷管安装构型匹配的影响  162-163
    6.4.4 第二喉道收缩比的影响  163-165
  6.5 小结  165-167
结束语  167-171
致谢  171-173
参考文献  173-185
作者在学期间取得的学术成果  185

高增压比多喷管超声速引射器设计理论、方法与实验研究

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