【摘要】：為了滿足在寬來流馬赫數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行高性能飛行工作的要求,雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)需要在不同的來流馬赫數(shù)下采用不同的模態(tài)進(jìn)行工作,因此雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒模態(tài)選擇對(duì)其在寬馬赫數(shù)下高性能工作有重要影響。中心支板燃燒室相比于其他構(gòu)型燃燒室有其獨(dú)特的燃燒組織方式,燃燒釋熱區(qū)存在于燃燒室通道中心,這導(dǎo)致在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的流場特性,針對(duì)中心支板燃燒室所帶來的獨(dú)特的燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行研究是必要的。因此,本文為了研究中心支板燃燒室模態(tài)轉(zhuǎn)換過程,開展了如下幾方面的研究工作:針對(duì)雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中流動(dòng)燃燒耦合作用會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的動(dòng)態(tài)流場這一問題,開展了在燃燒釋熱和來流馬赫數(shù)變化條件下隔離段激波串演化過程研究。研究表明,與隔離段背壓線性增加條件相比,燃燒釋熱作用下的隔離段激波串運(yùn)動(dòng)特性有較大不同;在燃燒釋熱逐漸增加的過程中,流動(dòng)與燃燒相互作用會(huì)導(dǎo)致壁面火焰向來流上游前傳的現(xiàn)象,這種燃燒火焰沿壁面前傳并熄滅的現(xiàn)象與燃燒區(qū)上游壁面回流區(qū)作用有關(guān);根據(jù)燃燒流動(dòng)作用下隔離段激波串的運(yùn)動(dòng)過程,可以將激波串的發(fā)展演化過程分為三個(gè)階段,這三個(gè)階段對(duì)應(yīng)著不同的模態(tài)過程;通過考慮燃燒釋熱與來流馬赫數(shù)引起的激波串運(yùn)動(dòng)路徑變化,發(fā)現(xiàn)了隔離段激波模式對(duì)兩者的影響作用,且會(huì)導(dǎo)致激波串的遲滯現(xiàn)象,來流馬赫數(shù)通過改變激波模式,對(duì)激波串運(yùn)動(dòng)過程中的遲滯現(xiàn)象影響更大。對(duì)于在超聲速燃燒流動(dòng)耦合作用下燃燒室模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生的流場特性,開展了基于地面超聲速燃燒實(shí)驗(yàn)的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程分析研究。研究表明,隨著燃燒釋熱的增加,在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中燃燒室壁面的壓力發(fā)生了折轉(zhuǎn)突變現(xiàn)象,這種壓力折轉(zhuǎn)現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致燃燒室中推力的變化;在相似條件的數(shù)值模擬計(jì)算中,同樣獲得了相同的壓力折轉(zhuǎn)變化現(xiàn)象,通過流場結(jié)構(gòu)分析及熱力學(xué)推導(dǎo)可以證明壓力折轉(zhuǎn)現(xiàn)象與隔離段中激波串發(fā)展過程中流量壅塞有關(guān),由邊界層變化形成的熱力喉道及邊界層對(duì)燃燒室中芯流的作用會(huì)使壓力發(fā)生折轉(zhuǎn)變化。根據(jù)數(shù)值模擬獲得的流場結(jié)構(gòu),提出了基于隔離段流動(dòng)壅塞的氣動(dòng)模型,并通過模型對(duì)燃燒實(shí)驗(yàn)壓升折轉(zhuǎn)突變現(xiàn)象的發(fā)生進(jìn)行了預(yù)測。針對(duì)可以影響燃燒模態(tài)發(fā)生變化的因素,開展了來流馬赫數(shù)與燃燒室擴(kuò)張比這兩種因素對(duì)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換的影響研究。根據(jù)超聲速地面實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬獲得的結(jié)果表明,隔離段入口來流馬赫數(shù)與燃燒室面積比變化對(duì)燃燒室模態(tài)轉(zhuǎn)換有重要影響,來流馬赫數(shù)減小會(huì)導(dǎo)致燃燒釋熱更加集中,超聲速區(qū)逐漸減小,通過減小來流速度,減小了當(dāng)?shù)伛R赫數(shù),從而促使燃燒室從超燃模態(tài)轉(zhuǎn)換到亞燃模態(tài);燃燒室擴(kuò)張比減小導(dǎo)致燃燒的釋熱空間減小,同樣會(huì)導(dǎo)致燃燒釋熱集中,且會(huì)使當(dāng)?shù)仂o溫更高,從而通過提高當(dāng)?shù)芈曀?導(dǎo)致燃燒室從超燃模態(tài)轉(zhuǎn)換到亞燃模態(tài)�；趯�(duì)中心支板燃燒室模態(tài)轉(zhuǎn)換流場結(jié)構(gòu)及流場特性研究,在燃燒壅塞和氣動(dòng)壅塞兩種工作模式下,給出了中心支板燃燒室構(gòu)型燃燒模態(tài)的定義及劃分方法,通過對(duì)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換因素進(jìn)行分析,提出了基于動(dòng)量比、當(dāng)量比和面積比三種無量綱量確定燃燒室工作狀態(tài)的方法,并根據(jù)地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了變量空間中的工作狀態(tài),給出了燃燒模態(tài)的邊界及燃燒模態(tài)邊界的度量方法。對(duì)不同影響因素下燃燒模態(tài)邊界的作用進(jìn)行了分析和對(duì)比,結(jié)果指出燃燒室面積變化可以實(shí)現(xiàn)更寬范圍的燃燒模態(tài)邊界變化。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V231.2
【圖文】：

離打擊戰(zhàn)略目標(biāo)，有效改變攻防作戰(zhàn)形式。而吸氣式高超帶氧化劑，具有大射程、速度快、突防能力強(qiáng)、殺傷威力點(diǎn)，是大氣層內(nèi)進(jìn)行高超聲速飛行的最佳動(dòng)力；目前吸氣究已成為當(dāng)今世界各軍事強(qiáng)國的發(fā)展目標(biāo)，是近年來航空高點(diǎn)，有望成為最有前途的航空航天動(dòng)力系統(tǒng)之一。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為吸氣式高超聲速飛行器動(dòng)力裝置中，其除去了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中壓縮來流空氣的壓氣機(jī)，通過自生的激波對(duì)來流進(jìn)行壓縮，提高燃燒室中的靜壓和靜溫在高來流馬赫數(shù)下葉片溫度過高對(duì)材料限制的問題，因此作在更高的來流馬赫數(shù)下[1-4]，特別是在來流馬赫數(shù)為 4比沖高于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[5]，在 2000 公里到 6000 公里的置的高超聲速導(dǎo)彈有強(qiáng)大的突防能力，同時(shí)由于在大氣層行速度比渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)更快，所以雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可級(jí)或單級(jí)入軌空天飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)。圖 1-1 為不同動(dòng)力飛范圍內(nèi)的比沖性能。

燒釋熱增加了隔離段出口背壓，導(dǎo)致隔離段壁面有較大的邊層激波相互作用引起的激波串結(jié)構(gòu)壓縮來流使得其進(jìn)入燃燒態(tài)氣流，燃燒室處于亞聲速工作狀態(tài)，此時(shí)為亞燃模態(tài)，在燃導(dǎo)致熱力喉道出現(xiàn)，從而將燃燒室中亞音速來流轉(zhuǎn)換為超聲速于圖中 a 部分；隨著來流馬赫數(shù)的提高，來流總焓逐漸增大，來流所造成的高溫問題及強(qiáng)激波壓縮損失，需要使隔離段中的弱，壁面邊界層分離變小，進(jìn)而減小激波串對(duì)來流的壓縮效果來流變?yōu)槌曀�，此時(shí)為超燃模態(tài)，超燃模態(tài)下燃燒室中通過繼續(xù)加速超聲速來流，此時(shí)對(duì)應(yīng)于圖中 b 部分；當(dāng)來流馬赫數(shù)的總溫大大增加，隔離段中不存在激波壓縮作用，燃燒室完全中，對(duì)應(yīng)于圖中 c 部分。以上的整個(gè)雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燒室內(nèi)來流與釋熱所導(dǎo)致的雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)流場的典型特性赫數(shù)的增加，為了實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)動(dòng)機(jī)性能（比沖和推力），需要流條件匹配不同的燃燒模態(tài)，多種燃燒模態(tài)與相應(yīng)來流條件的模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)高效工作的前提條件。

楊慶春[10]和張巖[11]分別依據(jù)對(duì)模態(tài)的的定義劃分，也隨著對(duì)雙模態(tài)燃燒室不斷的認(rèn)識(shí)和中由于只能獲得燃燒室沿程的壓力分布，且通過一快速且簡單，便于在工程中的應(yīng)用，因此燃燒模態(tài)中所獲得的一維參數(shù)進(jìn)行劃分。學(xué)分析方法[12,13]和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一維建模的方法[宏觀工作狀態(tài)信息，并獲得發(fā)動(dòng)機(jī)工作的總體性能r W H 和 Pratt D T[18]較早的提出了使用隔離段出口流速度作為燃燒模態(tài)的判定準(zhǔn)則。當(dāng)該橫截面上的工作在亞燃模態(tài)，此時(shí)在燃燒室下游會(huì)有一處熱力氣流被加速到超聲速，同時(shí)隔離段中由于燃燒室反面上的氣流速度為超聲速時(shí)，燃燒室工作在超燃模離段中可能產(chǎn)生斜激波或無激波形成，燃燒室中向上游傳播。這種分類方式簡單，但對(duì)于不同的燃速度很難確定，在實(shí)驗(yàn)中很難通過數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 李楠;超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)激波串運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定及控制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2019年

本文編號(hào)：2773055