受限空间内超声速反应混合层生长及释热特性研究

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1、学校代码10699分类号密级学号2012100330题目受限空间内超声速反应混合层生长及释热特性研究作者曹东刚学科、专业航空宇航推进理论与工程指导教师何国强教授申请学位日期2017年6月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：受限空间内超声速反应混合层生长及释热特性研究作者：曹东刚学科专业：航空宇航推进理论与工程指导教师：何国强教授2017年6月Title:InvestigationontheGrowthCharacteristicsandHeatReleaseFeaturesoftheSupersonicR

2、eactingMixingLayerinConfinedSpaceByCaoDong-gamgUndertheSupervisionofProfessorHeGuo-qiangADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPropulsionTheoryandEngineeringofAeronauticsandAstronau

3、ticsXi’anP.R.ChinaJune2017摘要1摘要在高超声速飞行技术的牵引下，高速湍流燃烧成为了航空航天推进领域的关注热点，也是燃烧学科亟待解决的基础性课题，其核心是几何构型约束下湍流-燃烧-激波之间的相互作用。本文以吸气式高超声速动力系统为工程应用背景，提取火箭冲压组合发动机（RBCC）支板火箭射流燃烧过程中的主要特征，通过“受限空间内超声速反应混合层”这一模型对超声速火箭射流与超声速空气来流之间的掺混燃烧过程进行表征。围绕“受限空间内复杂波系作用下超声速反应混合层的生长特性”和“复合型流场中多种燃

4、烧模式作用下超声速反应混合层的释热特性”这两个核心问题，通过大涡模拟技术、阴影技术、吸收光谱技术、自发辐射技术、传感器技术等对受限空间内超声速反应混合层开展研究。本文结合反应混合层的厚度增长曲线和对流马赫数分布曲线，讨论了激波对反应混合层可压缩性的影响，分析了激波对其生长的积极和消极作用，获得了受限空间内复杂波系作用下超声速反应混合层的生长特性。从掺混角度出发分析了反应混合层生长过程中的扩散燃烧模式和预混燃烧模式；从流动角度出发分析了反应混合层生长过程中的超声速燃烧模式和亚声速燃烧模式。通过滤波函数建立了不同燃烧

5、模式与释热率之间的映射关系，计算了不同燃烧模式对应的释热量及释热区域大小，并进一步提出了释热贡献率、燃烧区域比、修正的流道平均马赫数等量化参数，获得了复合型流场中多种燃烧模式作用下超声速反应混合层的释热特性。本文的研究结果表明：（1）受限空间内复杂波系作用下的超声速反应混合层具有初始生长、快速生长和饱和生长三个典型阶段。燃烧室入口附近的波系结构会使得对流马赫数迅速发生变化，从而改变反应混合层的可压缩性，影响其生长过程。流道内的激波对于反应混合层的生长同时具有消极和积极的作用：一方面激波的压缩效应使得入射点处的反应

6、混合层厚度减小，其生长过程受到抑制；另一方面激波的斜压效应又会在入射点后诱导形成涡量增益，提高横向输运速率，促进反应混合层生长。因此在与激波相互作用的区域内，反应混合层的厚度先减小后增大，呈现出振荡生长的非线性特征，并且根据激波强度和反应混合层梯度大小，两者之间的作用形式会表现出折射或者反射的特征。（2）受限空间内存在局部的压缩区和膨胀区，激波诱导的斜压效应能够促进涡量的生成，有利于燃料与氧化剂之间的掺混燃烧，使得激波交汇点后邻近区域内的释热率增大，该区域内的气体受热膨胀，对周围流体进行挤压，形成气动压缩面，使得

7、与之相邻的激波强度和激波角度有所增大，反应混合层中的斜激波呈现出向正激波演化的趋1基金项目：国家自然科学基金（91541110）I西北工业大学博士学位论文势。流道内的强释热过程会促进输运过程的进行，减小流场中的参数梯度，弱化激波引起的强间断特征，使得激波在流道内的衰减速度加快，流场下游的波系结构遭到破坏。（3）在高超声速动力系统中，燃料射流与空气来流通常以非预混的形式进入冲压燃烧室形成反应混合层，初始阶段燃料与氧化剂具有相反的浓度梯度分布，两者之间以扩散燃烧为主。随着反应混合层的不断生长，燃料与氧化剂之间的掺混程

8、度逐渐提高，两者浓度梯度之间的夹角逐渐减小。当燃料浓度梯度与氧化剂浓度梯度在向量空间内的夹角为锐角时，流场中会形成局部的预混燃烧区，因此在流场中扩散燃烧和预混燃烧同时存在、共同释热。激波的斜压效应能够促进燃料与氧化剂之间的掺混，提高预混燃烧对于释热过程的贡献率。（4）尽管燃料射流与空气来流均以超声速进入冲压燃烧室，但是在几何构型、波系结构、旋涡运动、化学反应等因素的综合作