基于三维设计的超燃冲压发动机数值模拟与性能分析

摘要

本文以超燃冲压发动机为研究对象，将其中的各部件置于整个发动机的大环境下进行了设计与性能分析。
　　以流线追踪三维Busemann型面作为进气道，研究了其不启动时的流场特征以及非设计点下的性能。随后将该进气道与隔离段模型相结合进行了数值模拟，结果表明增加隔离段长度可提升极限反压，但长度越长，反压比提升的幅度越小;进气道来流的影响使隔离段在反压作用下的流场呈现不均匀性，反压越高，不均匀性越强，进气道所受的压阻也越大。
　　在燃烧室设计过程中，以均匀来流为条件分别考察了边界层厚度、狭缝抽吸、凹腔以及喷氢口布置方案对基础燃烧室构型的性能影响，结果表明边界层抽吸可抑制激波串前推;凹腔结构能有助于提升燃烧效率;喷氢口间隔布置可降低燃烧反压。随后综合上述措施的优点对基础模型进行了适当改进，改进后的燃烧室构受进气道来流的影响，下壁面附近出现了较大的低速区。之后又通过在隔离段加入狭缝将整机最高能承受的当量比从0.7提升到了1，但发现燃烧效率有所下降。
　　以最大推力法设计了尾喷管三维型面，研究了来流均匀性与化学反应的影响，结果显示均匀来流与化学反应均可提升喷管推力。最后对整机推力性能进行研究，发现推力主要与加热量有关，当量比与燃烧效率都是影响推力的重要因素。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 进气道设计

1．2．2 隔离段设计

1．2．3 燃烧室设计

1．2．4 尾喷管设计

1．2．5 非均匀来流条件下的部件性能分析

1．3 本文主要研究内容

第二章 数值计算方法

2．1 计算流体力学与FLUENT软件

2．2 流体力学基本控制方程组

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动量守恒方程

2．2．3 能量守恒方程

2．2．4 组分守恒方程

2．3 湍流模型

2．3．1 标准k-ω模型

2．3．2 SST k-ω模型

2．4 湍流燃烧模型

2．4．1 涡耗散模型

2．4．2 比热修正

2．5 算例验证

第三章 进气道设计与性能计算

3．1 进气道设计

3．1．1 基准Busemann进气道

3．1．2 基准构型截短

3．1．3 流线追踪

3．1．4 唇口后退

3．1．5 粘性修正

3．2 性能分析

3．2．1 启动特性

3．2．2 非设计点性能

3．3 本章小结

第四章 隔离段性能计算

4．1 隔离段长度的影响

4．2 不同反压的影响

4．3 本章小结

第五章 燃烧室设计与性能计算

5．1 边界层厚度的影响

5．1．1 计算模型与边界条件

5．1．2 计算结果与分析

5．2 狭缝抽吸的影响

5．2．1 计算模型与边界条件

5．2．2 计算结果与分析

5．3 缝宽的影响

5．3．1 计算模型与边界条件

5．3．2 计算结果与分析

5．4 凹腔的影响

5．4．1 计算模型与边界条件

5．4．2 计算结果与分析

5．5 喷氢口位置的影响

5．5．1 计算模型与边界条件

5．5．2 计算结果与分析

5．6 燃烧室整体模型性能分析

5．6．1 计算模型与边界条件

5．6．2 计算结果与分析

5．7 带狭缝模型的性能分析

5．7．1 计算模型与边界条件

5．7．2 计算结果与分析

5．8 本章小结

第六章 尾喷管设计与性能计算

6．1 尾喷管设计

6．2 性能分析

6．2．1 计算模型与边界条件

6．2．2 计算结果与分析

6．3 整机推力性能

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 本文主要结论

7．2 未来工作开展

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢