固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作特性研究

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1、固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作特性研究陶欢2015年1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特性研究作者姓名陶欢学院名称宇航学院指导教师魏志军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InvestigationonthePerformanceCharacteristicoftheSolidFuelScramjetCombustorCandidateName：HuanTaoSchoolorDepartment:SchoolofAero

2、spaceEngineeringFacultyMentor:Prof.ZhijunWeiChair,ThesisCommittee：Prof.GuobiaoCaiDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015北京理工大学博士学位论文摘要固体燃料超燃冲压发动机以其结构相对简单、易于存储、反应迅即

3、的天然优势，在高超声速推进领域具有广阔的应用前景。固体超燃冲压发动机一般由进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管等几部分组成，其中燃烧室是提供推力的主动部件。由于在超声速来流条件下工作，固体燃料超燃冲压发动机中燃烧室工作过程是一个高速、非稳态、湍流、固体燃料热解与燃烧等复杂的物理化学过程。燃烧室的性能对超燃冲压发动机研制的成败起决定性作用，燃烧室性能的优劣，最终决定了超燃冲压发动机能否走向工程应用。因此，研究固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的工作特性并掌握其性能变化规律具有十分重要的意义。为了研究固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的工作性能及其变化规律，本文建立了

4、固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程的物理数学模型。采用自定义函数方法定义固体燃料燃面退移速率，并针对固体燃料在超声速来流下燃烧的特点，选用SSTk-ω湍流模型对二维轴对称可压的Navier-Stokes方程进行封闭，燃烧模型采用联合有限速率模型和涡耗散模型（Finite-Rate/Eddy-Dissipation）。运用该模型对经典固体燃料超燃冲压发动机燃烧室进行了稳态的数值模拟，并将数值模拟结果与实验结果进行了燃烧室壁面压力和固体燃料退移速率的对比，证明了该数学模型的合理性和准确性。通过分别改变燃烧室结构参数和燃烧室入口气流参数，对固体燃料超

5、燃冲压发动机燃烧室的工作过程进行了稳态的数值模拟，并分析了各项参数对燃烧室性能的影响。为了进一步准确的研究超声速流动下固体燃料燃面退移对燃烧室内流动和性能的影响，对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程进行准稳态的数值模拟。最后在搭建的完成的小型直连式固体燃料超燃冲压发动机试车台上成功进行了燃烧室点火实验。本文利用固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程的物理数学模型，分别对燃烧室火焰稳定段/凹腔段、等直段和扩张段的结构参数对燃烧室工作性能的影响进行研究。首先，分析无化学反应时在超声速来流下固体燃料凹腔结构对燃烧室流动的影响，研究发现有凹腔结构的燃烧室

6、中在凹腔内形成了亚声速回流区，凹腔在很大程度上加强燃料与来流气体的掺混。虽然存在一个最佳的凹腔结构使得掺混效率达到最大值，但凹腔的存在也会一定程度上增大总压损失。接着，在有化学反应条件下分析不同等直段和扩张段结构参数对燃烧室性能的影响，研究发现在保证固体燃料超燃冲压发动I北京理工大学博士学位论文机燃烧室处于非壅塞状态的前提下，等直段长度占燃烧室总长的比例越大越好，增大等直段的长度要比增大扩张段长度对提升燃烧室各项性能有帮助。粗长等直段的燃烧室比细短等直段的燃烧室有更大的做功潜力。在没有固定喷管时，扩张段扩张比的选取应尽量使得气流得到完全膨胀。在不

7、同入口气流参数对燃烧室性能影响的研究中发现，随着入口空气质量流量的增大，燃烧室内压强增大，燃料退移速率增大。燃烧室燃烧效率减小，总压损失有所减小的，燃烧室推力和比冲均增大。对于入口空气总温变化时，燃烧室性能的改变与入口空气质量流量变化时情况相似。随着入口空气总压的增大，燃烧室内压强增大，燃料退移速率略微增大基本保持不变，燃烧室燃烧效率增大，总压损失显著增大，燃烧室推力和比冲均减小。根据入口参数及燃烧室结构尺寸参数对燃烧室性能影响的敏感度分析可知，对燃烧效率影响较大的因素是入口空气总温及等直段直径，对总压损失影响最大的因素是入口空气质量流量、入口空

8、气总压、等直段直径及扩张段长度。本文进行了固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程的准稳态数值模拟，研究发现燃烧室工作的初始时刻燃烧室处于壅