發(fā)布時間：2020-04-18 10:16

【摘要】：由于點火延遲與流動速率的不匹配,有效混合與高效燃燒的組織形式是超燃沖壓發(fā)動機中亟需解決的關鍵技術之一。通過利用激波與燃料作用形成流向渦結構,是實現(xiàn)高效混合燃燒的可行途徑。但激波壓縮效應以及燃料密度梯度導致流場演化規(guī)律復雜,目前缺乏認知流場演化對混合與燃燒的作用,故難以提出可服務于工程設計的激波界面作用理論。由于激波作用燃料的工程問題可以抽象為二維非定常,激波與非勻質(zhì)燃料氣泡相互作用這一經(jīng)典的物理問題,本文通過高精度數(shù)值模擬方法,分別研究了激波作用下的氣泡混合過程以及與可燃氫燃料氣泡作用的燃燒過程。對于激波作用氣泡的混合增強問題,本文基于自適應拉格朗日渦結構捕獲方法,獲取了不同激波強度作用下,氣泡與周圍氣體的混合路徑。在混合生長過程中,周圍氣體通過混合路徑進入氣泡并產(chǎn)生混合,其混合速率與主渦環(huán)量相關。在不同的激波馬赫數(shù)下,混合的演化過程均存在極限生長現(xiàn)象。進一步發(fā)現(xiàn)混合的極限生長受到次級斜壓渦阻礙導致。根據(jù)斜壓阻礙機制提出了混合極限生長的無量綱時間T~*_(baro),混合在T~*_(baro)≈2達到極限。對于激波作用氣泡的燃燒增強問題同樣存在極限燃燒的現(xiàn)象,即存在一種“火墻”結構,阻礙了氣泡與空氣的進一步混合及燃燒。通過定義燃燒效率發(fā)現(xiàn),氣泡演化后期燃燒效率極限只有63%。在建立流動與燃燒耦合關系的無量綱Da數(shù)基礎上,鑒別出燃燒效率的三個生長階段,每個生長階段與流動特征相關。在對最后一階段無法燒盡的氣泡進行拉格朗日混合路徑回溯分析,發(fā)現(xiàn)在主渦中大部分無法燒盡的燃料聚集在氣泡的中心線,故而提出一種高效燃燒的流動結構形式來打破“火墻”結構。相比于純氫氣泡,改進構型燃燒效率整體提高21%。進一步分析可知,增加渦量和渦渦相互作用導致的增強混合是高效燃燒主要原因。
【圖文】：

高超聲速飛行器對于未來無論是商用還是軍用都具有其廣闊的前景。但從高超聲速飛行設想提出近半個世紀以來，高超飛行技術一直沒有得以突破。2004 年美國應用X-43A（如圖1 1所示）先后進行了馬赫數(shù) 6.8 和 9.6 的飛行試驗，驗證了氫燃料超燃沖壓發(fā)動機應用的可行性。但試驗結果表明超燃沖壓發(fā)動機對于 X-43A 這樣一個亞尺度飛行器產(chǎn)生的加速度是非常有限的。2013 年美國 X-51A 吸熱碳氫燃料超燃沖壓發(fā)動機在第四次飛行試驗中實現(xiàn)了馬赫數(shù) 4.8 加速到馬赫數(shù) 5.1，但是還遠沒有達到原定加速到飛行馬赫數(shù) 6 的目標。眾多試驗數(shù)據(jù)表明目前超燃沖壓發(fā)動機是很難產(chǎn)生足夠凈推力。而這一問題嚴重制約了超燃沖壓發(fā)動機通向實際應用。圖 1 1 X43 高超聲速飛行器Fig 1 1 X43 hypersonic vehicle分析可知，超燃沖壓發(fā)動機試飛失敗其中一個重要的關鍵因素即為，，由于高超聲速飛行器速度高，進入超燃發(fā)動機中流速非�？欤剂显跇O短的時間內(nèi) (毫秒量級) 實現(xiàn)可靠點火并且高效燃燒變得十分困難。早在 1973 年，F(xiàn)erri[1]認為超燃沖壓發(fā)動機的科學本質(zhì)是由于燃料燃燒速率與發(fā)動機內(nèi)流的速率不匹配帶來的混合不充分，進而引起燃燒的不充分。如果燃燒無法滿足釋放足夠熱量，則會導致無法形成有效的輸出功對發(fā)動機提供正推力。除此以外

[6]（Shock Bubble Interaction，簡稱 SBI 問題），類比見圖1 3。類似的，傳統(tǒng)支板燃料噴射等方式也存在激波與燃料相互作用形成的軸向渦量流場結構[7]。因此燃料和激波相互作用這種超聲速燃燒“流動組織”中的典型流動現(xiàn)象值得深入研究來服務于提高燃料超燃沖壓發(fā)動機性能。激波作用氣泡形成斜壓渦量的— 2 —
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V235.21

【參考文獻】

相關期刊論文 前6條

1 沙莎;陳志華;張慶兵;;激波與SF_6球形氣泡相互作用的數(shù)值研究[J];物理學報;2015年01期

2 王革;關奔;;激波作用下R_(22)氣泡射流現(xiàn)象研究[J];力學學報;2013年05期

3 張斌;劉宇;王革;;激波與物質(zhì)界面相互作用的數(shù)值模擬[J];北京航空航天大學學報;2009年10期

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5 柏勁松;李平;鄒立勇;王濤;;界面不穩(wěn)定性引起混合過程的二維數(shù)值計算[J];力學學報;2008年04期

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本文編號：2631990