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固冲发动机补燃室掺混燃烧特性及结构参数优化研究

陈斌斌  
【摘要】:固体火箭冲压发动机简称固冲发动机,具有比冲高、质量小、机动性好、燃气流量可调、燃料安全易存储等优点,备受人们关注和期待。补燃室高效燃烧技术是固冲发动机能否进入型号研制的关键问题,发动机性能预示是设计者迫切希望实现的技术。针对固冲发动机补燃室高效燃烧技术及性能预示方面,迫切需要开展更加深入细致的研究。通过数值仿真、理论分析及试验研究的方法,开展了固冲发动机补燃室内掺混燃烧特性研究,掺混燃烧相关性分析以及补燃室结构优化方面的相关研究。对增进发动机内部掺混、燃烧过程的认识和理解,提高发动机性能具有一定的指导意义。建立了一套可模拟补燃室掺混过程及燃烧过程的数值方法,开展了相关发动机试验,包括冷流试验和热试验,验证了数值方法的准确性和可靠性。分析了补燃室气相湍流燃烧和颗粒点火燃烧的影响因素,提出了燃料周围氧浓度是影响燃烧速率的主要因素,确定了补燃室掺混效果研究的必要性。结合国内外掺混问题的研究现状,建立了以补燃室内气相掺混度、颗粒掺混度及氧燃比为评价指标的掺混评价方法。定量分析了补燃室内空间各处燃气组分和凝相颗粒与氧气的掺混效果。在此基础上,利用数值模拟的方法研究了补燃室结构参数,包括进气方式、燃气喷口结构、进气角度等参数对掺混和燃烧过程的影响分析。发现两者之间存在紧密联系。为进一步了解补燃室内掺混和燃烧过程的相互联系,开展了冷流掺混与热流掺混效果的对比分析,冷流掺混效果与热流燃烧效率的对比分析,验证了冷流掺混效果预示发动机燃烧效率的可行性。针对研究对象,建立了以颗粒掺混度为主要考察指标,兼顾头部气相掺混度与氧燃比的掺混评价准则。开展了固冲发动机热试验,采用掺混燃烧相关性分析对试验工况进行了改进,改进后的试验燃烧效率得到有效提升,验证了掺混燃烧相关性分析的合理性。开展了补燃室结构参数的优化研究,发现了各结构参数之间对补燃室性能影响存在交互作用,某参数不同水平下,其他参数对燃烧效率的影响趋势可能相反。进而采用含交互作用的正交试验优化方法,对某一构型的固冲发动机补燃室进行了结构参数优化研究,得到了多因素间交互作用的耦合优化结果。


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