氢/氧发动机变工况燃烧特性及其燃烧稳定性研究

摘要

火箭发动机通过调节供应管路上的推进剂实现变工况工作，变工况会改变推进剂的速度比、混合比，进而引起燃烧室内的燃烧流场、燃烧效率、壁面热流分布等发生变化；与此同时变工况引进了额外的激励，可能会激发燃烧不稳定。本文以氢/氧发动机为研究对象，采用数值仿真的方法配合试验结果研究发动机变工况燃烧特性及其燃烧稳定性。本研究主要内容包括：
　　⑴为获得可靠的、有效的数值仿真模型，对不同湍流模型、不同湍流与化学反应作用模型、不同燃烧机理对应的燃烧流场进行了数值计算，并对得到的燃烧流场结果进行了比较分析，与运用壁面热流测试法获得的发动机燃烧室壁面热流分布进行了对比验证。结果表明：标准k??模型得到的燃烧火焰比k???sst模型得到的燃烧火焰更靠前，k???sst模型得到的壁面热流与试验结果吻合得更好；在局部燃烧火焰峰面上层流有限速率模型得到的燃烧流场温度比涡耗散模型得到的燃烧流场温度高。
　　⑵利用获得的可靠的、有效的计算模型研究了发动机变工况下的燃烧特性，包括研究速度比、混合比对燃烧流场、燃烧室壁面热流的影响，速度比对燃烧效率的影响。结果表明：增加燃料与氧化剂的速度比会使燃烧火焰靠前，燃烧室前端的低温区变短，燃料浓度变低；最大壁面热流位置对燃料与氧化剂的速度比和混合比都不敏感；燃料与氧化剂速度比的变化与混合比的变化都不会引起燃烧室壁面热流形状的改变；燃烧室同一截面上，燃烧效率随燃料与氧化剂的速度比的增大而增大。
　　⑶基于对变工况下发动机燃烧特性的认识，研究了变工况下发动机的燃烧稳定性问题。结果表明：对气/气燃烧来讲，大尺度涡结构的形成、合并、碰撞是燃烧室内热释放脉动的主要原因；燃料与氧化剂的速度比越大，各阶主频对应的振荡分得的燃烧振荡能量越少，燃料与氧化剂的速度比越小，燃烧振荡的能量向各阶主频对应的振荡分配得越多，各阶主频对应的振荡越明显，从整体上来看，燃料与氧化剂之间的速度比越大越有利于削弱燃烧振荡；如果外加激励频率不是燃烧室声学振荡频率，燃烧室压力振荡的频谱特性对工况变化的响应将只是瞬时存在的，压力平稳后，振荡特性仍只是燃烧室声学振荡特性。

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第一章 绪论

1.1 研究意义及背景

1.2 国内外研究现状

1.3 目前研究存在的不足

1.4 本文的研究思路及主要内容

第二章 气/气流动燃烧计算模型及计算方法

2.1 Navier-Stokes流体力学控制方程组

2.2 物性参数模型

2.3 湍流模型

2.4 化学反应模型

2.5 数值计算方法

2.6 小结

第三章 物理模型的选择及其与试验结果的对比验证

3.1 发动机结构及基准工作条件

3.2 试验方法及结果介绍

3.3 轴对称结构基准工况燃烧过程分析及物理模型的对比验证

3.4 三维基准工况燃烧过程分析

3.5 小结

第四章 不同工况下发动机燃烧特性分析

4.1 不同工况下燃烧流场分析比较

4.2 不同工况对壁面热流的影响

4.3 速度比对燃烧效率的影响

4.4 小结

第五章 基于RANS/LES方法的发动机变工况燃烧稳定性研究

5.1 燃烧室声学分析

5.2 基准工况燃烧稳定性分析

5.3 突变工况燃烧稳定性分析

5.4 周期性变工况燃烧稳定性分析

5.5 小结

第六章 结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 本文主要的创新点

6.3 对进一步工作的展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果