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超音速燃烧剪切流动数值研究

王慧  
【摘要】: 超音速流动状态下的高效燃烧过程是研制超燃冲压发动机最重要也是难度最大的关键技术之一。为了细致分析燃烧室结构和流动进口参数对超燃的作用关系,必须细化研究超音速流场的波系结构和燃气温度对化学反应放热过程的影响。本文针对超燃冲压发动机推进系统,发展了用于超音速燃烧的计算程序,用来进行碳氢燃料剪切流动过程超燃流场的数值模拟。 建立二维可捕捉激波的高精度冷态模型。采用NND差分格式离散对流项,时间迭代采用龙格库塔法,计算结果与实验值和解析解一致吻合。并比较了数值精度对流场模拟精度的影响和喉道壁面网格的圆弧度处理对流动损失的影响。证明了程序的可靠性。 为细致分析超音速湍流燃烧流场的剪切流动及化学反应过程,针对超音速燃烧机理进行了深入的文献调研。确定超高音速飞行器碳氢类推进剂的简化化学反应机理,乙烯作为裂解产物在小分子烃中含量居多。引入Baldwin-Lomax代数方程模型、用于剪切层的普朗特混合长度湍流模型和阿累尼乌斯有限速率化学反应燃烧模型。 通过对“双燃室”结构的数值模拟,将壁面压力值与实验值对比,其计算值较好地符合了实验值。对比两种不同工况燃烧室内的燃烧状况,深入认识了不同来流条件对超音速燃烧状况的影响。其主要结论有:剪切流动可以提高空气与燃气的扩散掺混强度。对于压力差很大的两股气流,所形成的压缩波系的结构可以增加燃气驻留时间,提高燃烧稳定性;为了提高扩散燃烧的效率,在保证能放热的化学反应温度范围之内,应适当提高燃气及空气的来流入口温度;燃气喷嘴应居于燃烧室轴线上,是改进超音速燃烧室结构的一种思路。可以大面积增加燃气与空气的接触面积和燃气进入空气场的扩散空间。 采用预测的流动参数分布云图分析了波系结构,从化学组分的浓度分布判断燃烧状况的好坏,从而为改善优化燃烧室结构提供理论依据。


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