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谐振不稳定燃烧机理与特性研究

作　者: 程岩岩
导　师: 韩启祥
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 不稳定燃烧 脉动燃烧 声学压力脉动 火焰锋面 频率 谐振腔
分类号: V231.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


不稳定燃烧会对在稳定状态下工作的推进系统造成很大影响，但在一定的声学条件控制下，不稳定燃烧具有燃烧效率高、污染小、提高PDE的工作频率等优点。本文通过对不同结构的谐振脉动燃烧装置工作特性的研究，探索谐振不稳定燃烧的声学特性及声-化学燃烧之间的相互作用机理，获得在稳定燃烧推进系统中抑制振荡燃烧现象的技术措施。本文所开展的具体研究工作如下：1、设计了施密特型气动阀式脉动发动机样机模型和试验系统，对样机模型的内部流场及非稳态的混气燃烧过程进行了数值模拟和分析。得到以下结论，（1）发现了燃烧室内的压力脉动与进口流量之间周期性变化规律；（2）获得了冲压进气脉动发动机不出现出口端空气倒流以及出口端处会一直处于高温状态的现象。2、开展了施密特型和亥尔姆霍茨型脉动发动机的试验研究，通过间歇供气和连续供油的方式，实现了脉动燃烧。试验运行结果表明，（1）在脉动发动机启动时，空气和燃油的掺混效果影响燃烧位置，燃烧区域在脉动发动机头部时才能产生脉动燃烧；（2）在燃烧室内安装一个蒸发器，可以用来提供能量加热混气温度和蒸发燃油，这样更容易产生脉动燃烧。3、对上述脉动发动机的频率特性、压力特性进行了理论分析和试验研究，得到了几何结构、当量比、进气压力与火焰锋面、脉动频率、压力之间的关系。研究表明，（1）验证了脉动燃烧的某一点压力脉动随着时间是按照正弦曲线变化的这一规律以及脉动频率与管长和管内的平均声速之间的相互关系；（2）火焰锋面周期性的变化与压力脉动同相位时，这个燃烧放热过程才能驱动压力脉动；（3）燃烧室内加上强化燃烧装置能够使脉动频率升高，但是燃烧不够稳定，压力波动较大；（4）在一定范围内，压力脉动随着当量比的增加而增大了；当量比较高时，脉动燃烧会出现跳频现象，提高进气压力，脉动燃烧的基波频率升高，同时高次谐波的分量降低。4、设计了两阶段脉冲爆震发动机样机模型，分析了谐振腔对爆震频率的影响，对谐振腔内的混气成分及其分布规律进行了数值模拟研究。研究发现，在当量比为2.5～3时，预燃烧室内的燃烧会产生较多的C、H轻分子化合物，此时的燃烧产物能够在谐振腔内燃烧，如果触发激波强度足够大的话，也一定能够触发爆震波。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-14
第一章 绪论  14-23
  1.1 研究背景及意义  14-15
  1.2 脉动燃烧发展历史及国外研究现状  15-18
  1.3 谐振爆震发展历史及国外现状  18-21
  1.4 国内研究现状  21
  1.5 本文的主要研究内容  21
  1.6 本文的内容安排  21-23
第二章 脉动燃烧模型设计及数值计算  23-37
  2.1 引言  23
  2.2 脉动发动机的工作原理和分类  23-27
    2.2.1 脉动发动机的工作原理  23-25
    2.2.2 脉动发动机的分类  25-27
  2.3 施密特型脉动发动机样机设计  27-31
    2.3.1 气动阀和进气道的设计  27-29
    2.3.2 燃烧室和尾管的设计  29-30
    2.3.3 火焰稳定器的设计  30-31
  2.4 施密特型脉动发动机数值模拟  31-35
    2.4.1 物理模型及计算方法  31-32
    2.4.2 施密特型脉动发动机数值模拟结果与分析  32-35
  2.5 本章小结  35-37
第三章 脉动燃烧试验研究  37-58
  3.1 引言  37
  3.2 试验系统及测试系统  37-40
  3.3 影响产生脉动燃烧的主要因素  40-43
  3.4 Schmidt 型脉动发动机试验结果与分析  43-50
    3.4.1 Schmidt 型脉动发动机冷态试验  43-44
    3.4.2 Schmidt 型脉动发动机热态试验  44-50
  3.5 Helmholtz 型脉动发动机热态试验  50-56
    3.5.1 供油压力的影响  51-53
    3.5.2 进气压力的影响  53-56
  3.6 本章小结  56-58
第四章 谐振爆震模型设计及数值模拟  58-69
  4.1 引言  58
  4.2 两阶段脉冲爆震发动机的工作原理  58-59
  4.3 两阶段脉冲爆震发动机原理样机的设计  59-61
  4.4 谐振腔内的混气成分及其分布规律  61-68
    4.4.1 物理模型及计算方法  61-62
    4.4.2 数值计算结果与分析  62-68
  4.5 本章小结  68-69
第五章 总结与展望  69-72
  5.1 本文的主要研究成果  69-70
  5.2 本文的创新点  70
  5.3 未来研究展望  70-72
参考文献  72-75
致谢  75-76
在学期间的研究成果及发表的学术论文  76

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空发动机（推进系统） > 发动机原理 > 燃烧理论
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