【摘要】：固體燃料沖壓發(fā)動機(Solid Fuel Ramjet,SFRJ)具有結構簡單、比沖高、使用安全等優(yōu)點,是一種具有廣闊應用前景的動力推進系統(tǒng)。旋流進氣技術的應用可以增強固體燃料熱解產物與來流空氣的摻混,提高燃燒效率和燃速。固體燃料中添加炭黑可以提高火焰對燃燒表面的熱反饋強度,增強燃燒穩(wěn)定性。本文通過實驗和數(shù)值仿真相結合的方法,研究了旋流對含炭黑固體燃料沖壓發(fā)動機燃燒性能的影響。(1)設計并加工了炭黑-聚乙烯固體燃料加工模具,該裝置的特點是能夠避免炭黑-聚乙烯固體燃料在冷卻過程形成縮孔,保證固體燃料質量,而且該裝置還具有結構簡單、便于操作等特點。(2)通過激光點火實驗,研究了不同環(huán)境壓強下炭黑含量對聚乙烯固體燃料點火和燃燒性能的影響。結果表明,固體燃料聚乙烯點火過程為典型的氣相點火,燃燒火焰屬擴散火焰。點火延遲時間隨著炭黑的加入急劇縮短,當炭黑質量分數(shù)大于20%時,炭黑質量分數(shù)的增加對點火延遲時間的影響很小。點火延遲時間隨著環(huán)境壓強的增加縮短,當環(huán)境壓強大于0.2MPa時,環(huán)境壓強的增加對點火延遲時間的影響很小。根據(jù)實驗結果,采用最小二乘法,擬合得到了環(huán)境壓強為0.1～0.5MPa時點火延遲時間與炭黑質量分數(shù)的函數(shù)關系式。固體燃料的燃速隨炭黑質量分數(shù)的增大而減小,隨壓強的增大而增大,當炭黑質量分數(shù)大于5%時,炭黑質量分數(shù)是影響固體燃料燃速的主要因素。(3)通過地面直連式固體燃料沖壓發(fā)動機實驗,研究了不同來流進氣方式情況下炭黑對SFRJ燃燒性能的影響。結果表明,聚乙烯中加入質量分數(shù)為5%的炭黑,改變了聚乙烯的初始點火特性,可以有效提高固體燃料的燃燒穩(wěn)定性、燃速、特征速度和推力,而且在旋流進氣情況下提高效果更佳明顯。隨著來流旋流強度的增強,提高了固體燃料的燃速和燃燒穩(wěn)定性,但是這會導致回流區(qū)長度縮短,在一定程度上降低了火焰的穩(wěn)定性。隨著突擴臺階高度的增大,提高了燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率,但燃氣通道面積也隨之增大,固體燃料平均燃速的降低。(4)應用流體計算軟件Fluent,對不同來流進氣方式情況下炭黑對SFRJ燃燒性能的影響進行了數(shù)值仿真研究。結果表明,旋流進氣方式的引入,有助于熱解產物與來流空氣的摻混,提高炭黑的燃燒效率,回流區(qū)高溫火焰更加貼近固體燃料燃面。但是回流區(qū)長度縮短,附著點后的高溫火焰離固體燃料燃面更遠。隨著炭黑的加入,高溫火焰更加靠近固體燃料燃面,說明炭黑的加入可以提高燃燒的穩(wěn)定性。旋流進氣工況固體燃料燃面有大量的炭顆粒積聚,在噴管收斂段有較少的炭顆粒積聚。
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V435;V235.21
【圖文】：

逡逑目前，普遍使用的動力裝置有固體火箭發(fā)動機、渦噴發(fā)動機、渦扇發(fā)動機和沖壓發(fā)逡逑動機，主要動力裝置性能比較如圖１．１所示。對于沖壓發(fā)動機，根據(jù)使用燃料的類型，逡逑可分為固體燃料沖壓發(fā)動機和液體燃料沖壓發(fā)動機。其中，固體燃料沖壓發(fā)動機具有比逡逑沖高、結構簡單、工作可靠、增程效率高及經(jīng)濟效益好等一系列的優(yōu)點，而且能極大限逡逑度滿足飛航導彈發(fā)射準備時間短、打擊距離遠的技戰(zhàn)術需求，被認為是新一代飛航導彈逡逑的優(yōu)選動力裝置，成為各個國家競相研究的對象。逡逑１邋８０００邐Ｈｙｄｒｏｇｅｎ邋Ｆｕｅｌ逡逑心邋？邐Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ邋Ｆｕｅｌ逡逑0邋６０００逡逑Ｔｕｒｂｏｊｅｔｓ逡逑0－逡逑４０００邐Ｒａｈ．／邋ｔｓ逡逑善邐Ｔｕｒｔｘ＞ｊｅｌｓ逡逑２０００逡逑Ｒａｍ｜ｅ１ｔ逡逑§邐－邐Ｓｃｆａｍ｜ｅｔｔ逡逑0邋１邋ｉ邋ｉ邋ｉ邐ｉ邋ｊ邋ｉ邋ｌ邋ｉ邋ｉ邋ｉ逡逑０邋１０邋２０逡逑Ｆｌｉｇｈｔ邋Ｍａｃｈ邋Ｎｕｍｂｅｒ逡逑圖１．１推進裝置性能比較逡逑固體燃料沖壓發(fā)動機（Ｓｏｌｉｄ邋Ｆｕｅｌ邋Ｒａｍｊｅｔ，ＳＦＲＪ）主要由中心錐、進氣道、燃燒室、逡逑點火器、火焰穩(wěn)定器、固體燃料、摻混版、補燃室和噴管組成

逡逑目前，普遍使用的動力裝置有固體火箭發(fā)動機、渦噴發(fā)動機、渦扇發(fā)動機和沖壓發(fā)逡逑動機，主要動力裝置性能比較如圖１．１所示。對于沖壓發(fā)動機，根據(jù)使用燃料的類型，逡逑可分為固體燃料沖壓發(fā)動機和液體燃料沖壓發(fā)動機。其中，固體燃料沖壓發(fā)動機具有比逡逑沖高、結構簡單、工作可靠、增程效率高及經(jīng)濟效益好等一系列的優(yōu)點，而且能極大限逡逑度滿足飛航導彈發(fā)射準備時間短、打擊距離遠的技戰(zhàn)術需求，被認為是新一代飛航導彈逡逑的優(yōu)選動力裝置，成為各個國家競相研究的對象。逡逑１邋８０００邐Ｈｙｄｒｏｇｅｎ邋Ｆｕｅｌ逡逑心邋？邐Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ邋Ｆｕｅｌ逡逑0邋６０００逡逑Ｔｕｒｂｏｊｅｔｓ逡逑0－逡逑４０００邐Ｒａｈ．／邋ｔｓ逡逑善邐Ｔｕｒｔｘ＞ｊｅｌｓ逡逑２０００逡逑Ｒａｍ｜ｅ１ｔ逡逑§邐－邐Ｓｃｆａｍ｜ｅｔｔ逡逑0邋１邋ｉ邋ｉ邋ｉ邐ｉ邋ｊ邋ｉ邋ｌ邋ｉ邋ｉ邋ｉ逡逑０邋１０邋２０逡逑Ｆｌｉｇｈｔ邋Ｍａｃｈ邋Ｎｕｍｂｅｒ逡逑圖１．１推進裝置性能比較逡逑固體燃料沖壓發(fā)動機（Ｓｏｌｉｄ邋Ｆｕｅｌ邋Ｒａｍｊｅｔ，ＳＦＲＪ）主要由中心錐、進氣道、燃燒室、逡逑點火器、火焰穩(wěn)定器、固體燃料、摻混版、補燃室和噴管組成

在大于５．５Ｍａ時的巡航飛行試驗［３］。逡逑自２０世紀８０年代起，美國開始將ＳＦＲＪ技術應用于炮彈增程。１９８４年，美國陸軍逡逑彈道實驗室進行了邋７５＿邋ＳＦＲＪ旋轉穩(wěn)定坦克訓練彈的研宄工作。圖１．３是７５＿邋ＳＦＲＪ逡逑旋轉穩(wěn)定彈的結構示意圖。研宄表明，炮彈的高速旋轉和飛行速度對發(fā)動機的工作影響逡逑很大。逡逑——邐邐邋＿丨＿邋丨丨W＿邋？邋Ｉ邋－ｎ邋■邋—邋？邋■■邐■邋■邋＿一邋？邋邐邐邐邐？邐—■一－？邋？邋７５ｍｍ逡逑Ｓｏｌｉｄ邋ｆｕｅｌ邐＇逡逑＾邐２６７．７ｍｍ邐＾逡逑圖１．３美國７５ｍｍ邋ＳＦＲＪ旋轉穩(wěn)定彈逡逑此后，美國將ＳＦＲＪ應用于反坦克增程彈，即“先進間接發(fā)射系統(tǒng)”，簡稱ＡＩＦＳ，逡逑彈徑為２０３ｍｍ，如圖１．４所示。此后，對此增程彈進行了飛行試驗，發(fā)射裝置為Ｍ１１０Ａ－２逡逑加農炮，其射程為６０ｋｍ［４］［５］。目前，美國在研的沖壓增程炮彈有１５５＿和１２７ｍｍ兩種，逡逑射程分別可達到８０ｋｍ和７０ｋｍ。逡逑Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ邐Ｆｉｎ逡逑＾邋．邋ＶｊＳ逡逑＾ＯＢｍｍ邐邐？一—邐邐邐逡逑邐邋４Ｊｋ邋／ｉｒｉｉｋ￣邋￣邋￣邐－邋Ｈ邋＂ｉｉ？逡逑Ｉｎｌｅｔ邐Ｓｏｌｉｄ邋Ｆｕｅｌ邐Ｎｏｚｚｌｅ逡逑』邐２５４８ｍｍ逡逑邐邐邐逡逑圖１．４美國２０３ｍｍ反坦克增程彈逡逑目前美國正在研制射程大于３００ｋｍ的巡航飛行超遠程先進炮彈，該彈藥使用火炮進逡逑行發(fā)射，當彈丸飛行到１０ｋｍ高的彈道頂點時，沖壓發(fā)動機開始工作，進入巡航飛行階逡逑段

【參考文獻】

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本文編號：2761794