固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程理论与实验研究

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1、固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程理论与实验研究王利和2014年12月中图分类号：V430UDC分类号：621固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程理论与实验研究作者姓名王利和学院名称宇航学院指导教师王宁飞教授答辩委员会主席蔡国飙教授申请学位工学博士学科专业航空宇航科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月TheoreticalandexperimentalstudyontheworkingprocessofthesolidfuelscramjetcombustorCandidate

2、Name:LiheWangSchoolorDepartmentAerospace:SchoolofAerospaceEngineeringFacultyMentor:Prof.NingfeiWangChair,ThesisCommittee:Prof.GuobiaoCaiDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTech

3、nologyTheDateofDefence:January,2015北京理工大学博士学位论文摘要本文在固体燃料超燃冲压发动机燃烧室内流场二维计算结果的基础上，简化并提出了一种准一维计算方法。将常见的燃面退移速率计算方法耦合到准一维方程中，该方程考虑了燃烧室面积变化、摩擦、加质和加热。燃面退移速率是流场内温度、压力、密度和燃烧室直径的函数，而流动方程中加质源项又是燃面退移速率的函数，这样就能做到燃面退移速率和内流场参数的同步计算。将前一时刻的燃面退移速率加上燃烧室直径得出下一时刻的燃烧室直径，得出下一

4、时刻燃烧室的边界条件，从而将固体燃料燃烧室内非定常的流动、燃烧和燃面退移问题通过每一时刻的定常计算求解。通过对比，计算结果与实验数据符合的较好，证明了计算模型的合理性。为固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的设计和分析提供了一种简单、快速和灵活的数值方法。尔后从固体燃料燃烧室的特点和超声速燃烧流动的基本规律出发，提出了固体燃料超燃冲压发动机燃烧室设计的基本理论，这个理论包括燃烧室满足自点火和火焰稳定性条件，燃料质量流量和空气质量流量满足适当的比例，减小总压损失等。并根据准一维计算程序，提出一种燃烧室的准一维设

5、计方法。同时将燃烧室内的燃烧流动进一步简化为等截面和变截面加热管流，提出了一种更加简便快速的燃烧室工程设计方法。设计并制造了一个小型直连式试车台，核心部件空气加热器以甲烷为原料，具有启动迅速、工作稳定、污染物少等优点。通过实验验证了燃烧室自点火和火焰稳定性条件，获得了燃烧室不同时刻的燃面退移速率和平均燃面退移速率，发现燃面退移速率最大值出现在凹腔和等直段的连接部以及等直段和扩张段的连接部。然后将实验和数值计算相结合讨论了燃烧室工作过程中燃烧室结构和其他相关参数的变化规律。发现在燃烧室在工作过程中，凹腔

6、慢慢变大、变深，但凹腔的主体形状不会发生较大的改变，能够一直起到稳定火焰的作用。等直段后端慢慢消失和扩张段连为一体，扩张段扩张比逐渐减小。凹腔内部的燃面退移速率较小，且沿着轴线逐渐增大。在等直段和扩张段连接处尖角消失之前，燃面退移速率在等直段内出现先减小后增大，尖角消失之后，燃面退移速率沿轴线逐渐减小。扩张段内燃面退移速率沿轴线逐渐减小。不同时刻，同一位置的燃面退移速率随着燃烧室的工作过程逐渐减小。但由于燃面的增大，燃空比在燃烧工作过程中相对稳定。由于燃烧室内腔的增大，内流场马赫数在燃I北京理工大学博

7、士学位论文烧室工作过程中逐渐增大，导致气流的总压损失增大，做功能力下降，发动机的推力会下降。研究了燃烧室入口和进气道出口气流参数的匹配问题。在飞行条件一定的前提下，提高燃烧室入口总压，提高燃烧室入口总温，降低燃烧室入口马赫数，能增大燃面退移速率从而减小燃烧室的长度，同时能提高发动机的比推力。通过敏感性分析发现，总温的燃烧室的性能影响最大。探讨了凹腔尺寸对燃烧室性能的影响。在燃烧效率一定的条件下，增大凹腔出口和燃烧室入口的相对直径，会增大燃烧室内流场马赫数，增大总压损失，减小燃面退移速率，增大燃烧室的长

8、度，减小发动机的比推力。然而增大凹腔的深度和长度并不会对燃烧室的性能产生较大的影响。最后研究了燃烧室在非设计状态下的性能变化规律。对于设计定型的燃烧室，随着飞行马赫数的增大，发动机的比推力先增大后减小，在设计点处最大，比冲逐渐减小；随着飞行高度的增大，发动机的比推力也先增大后减小，在设计点处最大，比冲小幅增大。关键词：固体燃料；超燃冲压发动机；燃烧室；实验；理论研究II北京理工大学博士学位论文AbstractInordertoresearchtheper