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化学平衡假设和火焰面模型在超燃冲压发动机数值模拟中的应用

邢建文  
【摘要】: 吸气式高超声速技术是研究飞行马赫数大于5、以吸气式发动机及其组合发动机为动力、在大气层和跨大气层中实现高超声速远程飞行的飞行器技术。吸气式高超声速技术的核心是超燃冲压发动机技术和机体/推进一体化飞行器技术。 随着计算机技术的发展和数值计算方法的进步,计算流体力学(CFD)已经成为超燃冲压发动机研究中的三大手段(地面试验、飞行试验和数值模拟)之一,并逐渐成为发动机设计和流动分析的一种经济、有效的手段。数值计算可以在相对较短的时间内完成气动参数的分析研究,提供流场的详细特征,弥补风洞试验及测量的局限性,为不断改进发动机的构型设计提供依据。 目前,超燃冲压发动机数值模拟中存在燃烧流场计算花费时间太长,不利于工程应用和很少考虑湍流燃烧相互作用的问题。本文围绕这两个方面展开了深入细致的数值计算研究。发展了可用于超燃冲压发动机数值模拟的大规模并行计算软件以及能用于湍流燃烧相互作用的火焰面模型。在神威集群上进行了并行计算,计算结果与试验结果进行了详细对比和分析。在国内首次采用化学平衡分析法模拟了煤油超燃冲压发动机,首次采用火焰面模型模拟了超燃冲压发动机燃烧室内湍流燃烧相互作用。 本文共分为五章。第一章为引言,简要介绍了超燃冲压发动机的研究背景和国内外研究现状;介绍了超燃冲压发动机数值模拟中存在的主要困难,以及目前国内外超声速湍流燃烧数值模拟的研究水平;最后介绍了本文的主要工作。 第二章介绍了计算采用的控制方程以及采用的物理、化学模型和数值方法。介绍了五种两方程湍流模型:Jones和Launder提出的低Re数k ?ε模型,低Re数k ?ω模型,Menter的BSL模型和k ?ωSST模型,以及Coakley和Huang在1992提出的改进版q ?ω模型。并对湍流模型的程序模块进行了验证。 第三章介绍了四种化学平衡流模拟方法:(1) CEA所采用的传统最小自由能法;(2)元素势能法;(3) Gibbs function continuation方法;(4)化学平衡分析法。经过对比发现只有化学平衡分析法计算速度比较快,适合用于优化超燃冲压发动机设计的计算。并且通过数值计算证明了煤油超燃冲压发动机内的反应明显是有限速率反应。 第四章介绍了湍流燃烧数值模拟的研究。本章首先对湍流燃烧模型进行了回顾和总结;然后对火焰面模型进行了详细介绍。并采用火焰面模型对DLR顺喷氢燃料超燃发动机模型并行计算,验证了程序的可靠性。在此基础上,对CARDC的直连式横喷氢燃料超燃冲压发动机进行了数值模拟。详细对比了火焰面模型的计算结果与有限速率反应计算和试验结果,及计算所耗时间。说明超燃冲压发动机内流场的湍流和燃烧相互作用比较强,火焰面模型比有限速率反应在模拟超燃冲压发动机内的燃烧流场更有优势。 第五章为结束语。阐述了论文的主要成果和创新点,并对未来的工作进行了展望。


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