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固体燃料冲压发动机燃烧室流场理论研究

作　者: 魏韬
导　师: 武晓松
学　校: 南京理工大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 固体燃料冲压发动机燃烧室解析模型涡量-流函数方法运动边界非结构动网格非定常数值计算瞬态退移速率
分类号: V435.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

固体燃料冲压发动机具有比冲高和结构简单等优点,是未来超声速导弹和冲压增程炮弹等飞行器的理想推进装置,但固体燃料冲压发动机燃烧室流场的理论研究并不成熟,目前仍处于探索阶段。本文采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对固体燃料冲压发动机燃烧室流场进行了较为深入的研究,主要包括燃烧室流场的解析模型及其非定常数值计算方法。根据固体燃料冲压发动机燃烧室流场特点,将燃料表面处理为速度入口边界,建立了基于涡量-流函数方法的燃烧室流场解析模型。针对再附点截面(Sr面)速度入口边界条件为余弦分布时,建立了描述发动机典型燃烧室流场的基本解析模型,并利用叠加原理,针对Sr面的一般速度入口边界条件,给出燃烧室流场解析模型的通用求解方法,得到更为符合实际情况的燃烧室流场参数表达式。基本解析模型的计算结果与数值试验结果符合较好。研究发现：1)随着速度参量(uh)的增大,燃面附近流线的曲率不断增大；燃烧室流场基本受主流控制,这与固体火箭发动机燃烧室流场有一定相似性；燃面附近的流速较低。2)轴向速度和涡量随uh的增加而线性增大；主流区轴向速度随径向位置的变化较小,在靠近燃面的区域轴向速度迅速衰减为零,且衰减速度与uh成正比；涡量在燃面处达到最大值,远离燃面时涡量迅速降低,在轴线附近几乎为零。3)从轴线到燃面,径向速度和压力降的绝对值均有先增大后减小的趋势,当径向位置在区间[(?)/2,1]时,它们的绝对值均大于其在燃面处的值。4)燃烧室的流动有从燃面和Sr面向中心汇聚的趋势。通过将静止网格上的数值计算方法推广为动网格形式,进而得到任意拉格朗日-欧拉(ALE)有限体积法描述的固体燃料冲压发动机燃烧室二维可压缩非定常流动的N-S方程,并给出适合于ALE描述下控制方程及其边界条件的数值离散方法。在此基础上,耦合动网格技术,利用发动机中气相燃烧流动及燃面的对流、辐射换热与燃料热解退移等过程的耦合计算,采用低Re数k-ε湍流模型,并考虑加质对对流换热的影响和温度对有效气化热的影响,建立了包含燃面运动边界条件的固体燃料冲压发动机燃烧室非定常流场数学模型。编制了控制燃面运动和加质的UDF程序,并对初始计算网格进行考核。燃速数值计算结果与参考文献的试验结果符合较好。采用所建立的燃烧室非定常流场数学模型,对某试验发动机的燃烧室-喷管统一内流场进行了数值计算。得到其在移动边界条件下的瞬态流场分布,分析了流场参数、燃面瞬态退移速率、再附点、燃料通道出口参数及其随时间的变化规律,并研究了燃料通道几何结构对燃面退移速率的影响。研究表明：1)随着发动机工作,燃料通道的型面由简单的圆柱面变为两头细中间粗的复杂曲面；燃面退移的不均匀程度不断增加,燃面退移量(或燃速)最大的点(即再附点)不断向下游移动；燃面面积和燃料通道体积均随时间呈近似线性增长。2)燃烧室流场具有明显的不均匀性,燃烧主要发生在组分当量比函数(φ)在[-2,2]的区域；在发动机工作过程中,燃料通道出口处的流速和温度均有降低趋势,而燃烧室压强逐渐升高；燃烧室入口处的燃速很低,随后燃速迅速升高,并在再附点处达到峰值,峰值之后平缓降低；在小型发动机工作初期,燃料通道尾部存在侵蚀燃烧现象。3)随着发动机工作,当地燃面退移速率逐渐降低,且再附点逐渐向下游移动；空间平均燃面退移速率也不断降低,且降低的速度逐渐减小。4)燃面面积和燃面退移不均匀程度的增加有降低燃面退移速率的效应。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-9
图表目录  9-11
1 绪论  11-26
  1.1 研究背景及意义  11-13
  1.2 固体燃料冲压发动机技术研究现状及发展趋势  13-24
    1.2.1 固体燃料冲压发动机研制计划  13-17
    1.2.2 固体燃料冲压发动机试验研究概况  17-22
    1.2.3 固体燃料冲压发动机燃烧室流场的理论分析和数值模拟研究概况  22-24
  1.3 本文主要研究内容  24-26
2 基于涡量-流函数方法的固体燃料冲压发动机燃烧室流场解析模型  26-48
  2.1 引言  26
  2.2 燃烧室流场物理数学模型  26-29
    2.2.1 物理模型及基本假设  26-27
    2.2.2 控制方程及边界条件  27-28
    2.2.3 无量纲化  28-29
  2.3 涡量-流函数方法求解  29-33
  2.4 针对S_r面一般速度分布的通用求解方法  33-35
  2.5 燃烧室冷流加质流场数值模拟  35-39
    2.5.1 物理数学模型  36-38
    2.5.2 计算结果与分析  38-39
  2.6 解析模型及其求解方法验证  39-43
    2.6.1 数值试验1  40-41
    2.6.2 数值试验2  41-43
  2.7 解析模型的燃烧室流场计算结果与分析  43-46
  2.8 本章小结  46-48
3 基于非结构动网格技术的固体燃料冲压发动机燃烧室流场非定常数值计算方法  48-64
  3.1 引言  48
  3.2 非结构动网格技术  48-52
    3.2.1 控制方程和计算方法  48-49
    3.2.2 非结构动网格生成技术  49-52
  3.3 基于动网格的非定常数值计算方法  52-62
    3.3.1 任意拉格朗日-欧拉有限体积法描述的Euler方程  52-55
    3.3.2 任意拉格朗日-欧拉有限体积法描述的燃烧室流场控制方程  55-57
    3.3.3 无量纲化  57-58
    3.3.4 控制方程的数值离散格式  58-62
  3.4 Fluent中动网格模型的兼容性及其应用  62-63
  3.5 本章小结  63-64
4 基于动网格技术的固体燃料冲压发动机燃烧室流场数值模拟  64-86
  4.1 引言  64-65
  4.2 物理数学模型  65-74
    4.2.1 物理模型及基本假设  65
    4.2.2 控制方程  65-66
    4.2.3 数学子模型  66-69
    4.2.4 数值离散方法  69-70
    4.2.5 初始计算网格  70
    4.2.6 初始条件与边界条件  70-71
    4.2.7 动网格技术  71-73
    4.2.8 模型校验  73-74
  4.3 计算结果与分析  74-84
    4.3.1 定常流场分析  74-78
    4.3.2 非定常流场分析  78-84
  4.4 本章小结  84-86
5 结论与展望  86-90
  5.1 主要研究工作及成果  86-88
    5.1.1 燃烧室流场解析模型研究  86
    5.1.2 燃烧室流场非定常数值模拟方法研究  86-88
  5.2 主要创新点  88
  5.3 研究展望  88-90
致谢  90-92
参考文献  92-99
附录  99

固体燃料冲压发动机燃烧室流场理论研究

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