毕业论文（设计）回热过程对超燃冲压发动机喷管性能影响

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1、回热过程对超燃冲压发动机喷管性能影响摘要本文对带有回热的超燃冲压发动机膨胀过程进行了热力学分析，利用图像和公式对回热式膨胀过程和等爛膨胀过程进行了对比硏究。建立了基于壁面冷却的回热式超燃冲压发动机喷管准一维模型,得到了绝热喷管和回热式喷管在不同回热度下的温度和速度分布。结果表明，回热过程能够显著提升喷管的性能。喷管入口温度随回热度的增加而提高，而排气温度则随冋热度的增加而下降，同吋回热度的增加述有利于提高喷管的排气速度。关键词喷管；回热过程；壁面冷却；超燃冲压发动机；热力学分析0前言超燃冲压发动机作为一种极具前景的高超声速推进系统，已经发展多年并取得了多项技术突破山。超燃冲压发动机既

2、可以作为独立的发动机，也可以与其他类型航空发动机构成组合循环发动机，如涡轮基组合循环(TBCC)⑺和火箭基组合循环(RBCC)⑶，这样可以为飞行器提供更宽的飞行马赫数范圉以及在整个飞行包线内更好的性能。典型的超燃冲压发动机由进气道、隔离段、燃烧室和喷管组成，其中喷管用于产生大部分推力。为了降低重量、产生升力并实现力矩平衡，超燃冲压发动机所用的喷管一般为非对称喷管⑷。目前，比较成熟的喷管冷却技术，包括再生冷却⑸、气膜冷却⑹和发汗冷却⑺，已经被广泛用于液体火箭发动机。其屮，采用膨胀循环的火箭发动机可以利用延长喷管内的燃料吸收热量从而构成一个回热过程冈。而对于采用再生冷却方式的超燃冲压发动

3、机而言，由于冷却通道内燃料能够将散失到燃烧室和喷管壁面的热量重新冋注燃烧室，所以能够构成一个冋热循坏。秦江等⑼完成了不同冷却条件下的对比实验研究，认为由物理冋热和化学冋热构成的冋热过程可以通过提高燃料加热温度来实现更高的收益。同时,为了提高发动机的能量利用率，秦江等川还从能量管理的视角对再生冷却超燃冲压发动机进行了研究。然而，目前超燃冲压发动机回热过程方面的研究主要针対燃烧室，而关于喷管中的回热过程对发动机性能影响的文章尚未见诸报端。因此，对超燃冲压发动机喷管进行壁面冷却从而构建回热过程，并对其进行性能对比研究对于提高发动机性能是具有一定意义的。本文对超燃冲压发动机带有回热的膨胀过程

4、进行了热力学分析，建立了零维的热力学描述，并分别利用图像和公式的方法对回热式膨胀过程和等爛膨胀过程进行了对比研究。同时，为了验证热力学描述的正确性，建立了基于壁面冷却的冋热式超燃冲压发动机喷管准一维模型，得到了绝热喷管和冋热式喷管在不同冋热度下的温度和速度分布。此外，还对使用绝热喷管和回热式喷管的发动机比冲进行了汁算，并得到不同回热度下回热式喷管的比冲增益。1回热式膨胀过程描述对于理想的超燃冲压发动机，膨胀过程的回热可以描述为一个燃料携带燃气向喷管壁面散失的热量重新回注燃烧室的过程。为了更好地描述回热式膨胀过程，本文将对回热式膨胀过程与等爛膨胀过程进行对比。由于压比对膨胀过程的影响很

5、大，为了更精确地衡量回热对膨胀过程的影响，两种膨胀形式设置为相同的压比。两种膨胀形式下布雷顿循环的温爛图如图1所示，回热式膨胀过程的喷管入口温度心“明显高于等嫡膨胀过程的喷管入口温度7；，因为回热过程将更多的热量带入燃烧室。由热力学第一定律可知，面积a-c-g-f-b-a等于面积c-g-f-e-d-co而点b和点d在同一条等压线上，所以点d必须低于点b这样才能满足面积相等的条件。也就是说，回热式膨胀过程的排气温度低于等爛膨胀过程。图1等埔膨胀与回热式膨胀温嫡图Fig.1Entropy-tcmpcraturcdiagramsofiscntropicexpansionandrecuper

6、atedexpansion进一步地，利用一些热力学和数学的方程来对比门$和心的大小关系。对于等爛膨胀过程，排气温度可以通过压比和比热比得到。7-1/(1)式中，7；为喷管入口温度，K；久为喷管入口压力，卩心“9为外界环境压力，Pa；了为燃气的比热比。为了衡量燃料在喷管的吸热量，定义回热度为口-厶）其屮，Q恢为单位质量燃气向燃料的散热量，J/kg；°为燃气的定压比热，J/(kg・K)。注意，分母是等爛膨胀的焙降，所以压比相同的条件下燃料的吸热量与回热度为线性关系。假设燃气散热过程存在一个平均温度Tave,这样根据爛的定义可知换热过程的爛增(3)注意，由于对于燃气热量是向外散失的，所以用

7、负号表示燜是减少的。假设燃气温度降低是线性的，则平均温度可表示为T=臨c+A吨_2(4)忽略回热过程对超声速燃烧的影响，燃料的吸热量可以等效为燃气在喷管入口出的焙增。这样，回热条件下喷管入口的燃气温度为“+牛(5)其中联立方程(3-5),可以得到喷管入口温度的表达式为考虑到recAs=CpIn—找'251+怡2J(6)(7)因此，回热式膨胀过程的排气温度等于c1+B+BC(8)C=eCpb7（10）5丿对比方程（1）和方程（8）,利用基本的数学知识可知，只