固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中PMMA自点火性能数值研究

以PMMA为燃料对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的自点火性能进行了数值仿真研究。基于热解气体有限速率/涡耗散燃烧模型,通过求解装药壁面和内流场耦合的一维导热方程,得到稳态构型下的燃面退移率,数值结果和实验测量值吻合得较好。研究了进气流量、总温和燃烧室构型对自点火性能的影响,结果表明:成功自点火和未自点火的燃烧室内流场有明显差异。存在进气贫氧、进气富氧和进气总温自点火极限;提高进气总温有利于拓宽贫氧极限和富氧极限之间的范围。凹腔长度不足,即使增深凹腔也不能实现自点火;凹腔深度不足,即使加长凹腔也不能实现自点火;较长较深的凹腔能够实现自点火。平直段直径越大,越不利于自点火的实现。

等直段直径对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响

为了研究燃烧室内等直段直径的尺寸对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能及流场特性的影响,基于国外研究者完成的固体燃料超燃冲压发动机的实验数据,对不同等直段直径燃烧室工作过程进行数值模拟。采用基于压力的二阶迎风差分数值方法,物理模型为轴对称结构,燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型(Finite-Rate/Eddy-Dissipation),湍流模型采用SST k-ω模型。PMMA燃料进口边界由用户自定义函数的方式给定,分析不同等直段直径下超燃冲压发动机燃烧室内流场特性及其性能变化。数值模拟结果显示:随着等直段直径的增大,燃烧室可由壅塞状态转变为超声速流动状态,增大至某一数值(约为16.5mm)附近时,燃烧室出口可以达到完全膨胀状态。同时,燃烧室的燃烧效率逐渐增大,出口处燃烧效率由62.45%增大至72.74%。总压损失也逐渐增大,出口处最大值可达52%,而燃烧室推力逐渐减小。

固体燃料凹腔结构对超声速流动的影响

针对在超声速来流下燃烧室中增加凹腔结构能否提高固体燃料的掺混效果进行研究。采用基于密度的二阶迎风差分数值方法模拟了固体燃料超燃冲压发动机燃烧室内不同凹腔结构的流场特性,并对燃料气体与来流气体掺混效果进行了分析。对比有无凹腔结构的燃烧室内流场各项特性,结果表明,超声速气流下凹腔结构对增强燃料掺混有明显的效果。对比不同长深比凹腔结构燃烧室中燃料与来流气体的掺混效率,结果表明,随着凹腔深度的增大,燃料和氧气的掺混效率逐渐增大;掺混效率达到了最大值后,再继续增大凹腔深度,掺混效率不会继续增大反而减小。在掺混效率达到最大值时,燃烧室出口处的总压损失也最大。

固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中火焰稳定性数值研究

对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中PMMA的燃烧过程进行了基于动网格技术的非稳态数值仿真研究。基于超声速流中的耦合传热及质量注入建立了固体燃料燃烧的数值模型,研究了燃烧室构型和进气总温对固体燃料燃烧特性的影响。结果表明:和实验数据对比证实了本文数值模型的正确性。固体燃料超燃冲压发动机能够实现自点火建压和维持燃烧。在燃烧过程中,装药壁面燃速分布不均匀,凹腔逐渐变得扁平。随着主流流速增加和通道的扩大,凹腔的火焰稳定能力降低,直至熄火。初始凹腔较深、进气总温较高时有利于稳定火焰。当进气总温提升400K时,工作时间和燃料消耗量提高1.8倍。

台阶和凹腔在固体燃料超燃冲压发动机内自点火性能对比

数值研究了PMMA在固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中的非稳态自点火过程及带台阶或凹腔的燃烧室构型对自点火的影响。数值模型基于求解非定常二维轴对称RANS方程,采用SST k-ε湍流模型,采用有限速率/涡耗散燃烧模型,装药和内流场的耦合传热采用一维导热方程。结果表明,台阶和凹腔火焰稳定器都能实现自点火。带台阶和凹腔的不同燃烧室内自点火过程一致;与采用突扩台阶火焰稳定器相比,凹腔火焰稳定器能够满足更宽的进气条件下的自点火;加入适当长度的凹腔,既可改善点火性能,又可增强总体性能。建议采用凹腔来实现SFSCRJ的自点火。

不同来流条件下固体燃料超燃冲压发动机性能评估

根据固体燃料超燃冲压发动机的工作特点,以飞行Ma=6、高度25 km为设计条件,对发动机各部件进行了初步设计。采用数值模拟方法,研究了不同来流条件下发动机各部件及总体性能的变化规律。结果表明,设计状态下的进气道流量系数接近1,来流马赫数降到4时,进气道启动失败;随来流马赫数的增大,火焰温度整体升高,燃烧效率逐渐降低;发动机在设计状态下产生的推力最大,比冲随来流马赫数的增大而降低。

固体燃料超燃冲压发动机燃烧室初步实验研究

设计并搭建了一个小型直连式试车台,开展了固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程的初步实验研究。加热器提供的燃烧室入口总压与总温分别为2.2MPa与1600K,试验证明了固体燃料超燃冲压发动机燃烧室在没有外部辅助条件下能够实现自点火和稳定燃烧。实验结果表明,燃面退移速率沿轴线先增大后减小,在凹腔和等直段交界处达到最大值,其峰值超过2 mm/s。随着燃烧进行,燃烧室通道扩大,凹腔与等直段压强下降较快。由于扩张比逐渐减小,扩张段内压强变化比较平稳。实验研究了采用突扩台阶进行火焰稳定的燃烧室构型,结果表明突扩台阶不适合作为固体燃料超燃冲压发动机的火焰稳定器。

超声速流中湍流模型性能的数值研究

针对三种二维后向台阶构型,对工程上常用的湍流模型在超声速流中对台阶后回流区分布、温度、速度、压力分布及重附距离的影响进行了研究。研究表明:对于捕获台阶后次级回流区,k-ωStandard、k-ωSST、RSM和SA四种湍流模型的性能较好。使用k-kl-ω湍流模型有利于较准确的模拟温度分布。使用RSM模型有利于较准确的模拟速度分布。k-ωStandard、k-ωSST对唇口激波的捕获能力较强。对于压力分布的模拟,k-ωStandard,k-ωSST,SST-4eqn和RSM性能较好,k-ω家族性能较差。k-ωSST和k-ωRNG对重附点的捕获能力较强。k-ωSST在回流区分布、温度分布、速度分布、壁面压力、重附点捕获方面均表现了良好的性能。

固体燃料超燃冲压发动机燃烧室流场准一维计算方法研究

将固体燃料燃面退移速率模型耦合到准一维流动方程中,在计算固体燃料超燃冲压发动机燃烧室流场参数的同时,计算燃烧室的燃面退移速率。由前一时刻的燃烧室内径加上当地的燃面推移速率,得出下一时刻的燃烧室内径;然后,求解每一时刻的边界条件,进而将非定常流动问题分解为每一时刻的定常流动,计算燃烧室的相关参数随时间的变化情况。为固体燃料超燃冲压发动机燃烧室的性能分析和优化设计提供了一个快速灵活的研究方法。

不同台阶高度下固体燃料超燃冲压发动机燃烧室初始型面变化规律

为了获得固体燃料超燃冲压发动机燃烧室初始型面和研究不同台阶高度下的初始型面的变化规律,将固体燃料燃面退移速率模型耦合到准一维流动方程中,发展了一种计算固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的准一维数值计算方法。利用该方法,将燃空比和流场马赫数作为燃烧室性能的优化参数,得出了不同台阶高度下满足优化目标的燃烧室型面。根据所得的优化型面,归纳了型面参数随着台阶高度的变化规律。结果表明,随着台阶高度的增大,燃烧室的整体长度增大,等直段的长度增大,扩张段的扩张比减小,扩张段的长度减小。

燃烧室长度对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响

基于国外研究者完成的固体燃料超燃冲压发动机的实验数据,通过分别改变燃烧室等直段长度和扩张段长度,对不同总长的燃烧室工作过程进行数值模拟.采用基于压力的2阶迎风差分数值方法,物理模型为轴对称结构,燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型(finite-rate/eddy-dissipation),湍流模型采用SST(shear stress transport)k-ω模型.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)燃料进口边界由用户自定义函数的方式给定,分别分析了不同长度,即不同等直段长度或扩张段长度下超燃冲压发动机燃烧室内流场特性及其性能变化.结果表明:随着等直段长度的增大,燃烧室出口处燃烧效率逐渐减小,从72.74%降低至66.81%,而燃烧室内总压损失逐渐减小,燃烧室推力逐渐增大,可由85.83N增加至108.55N;改变扩张段长度,发现扩长段长度变化对燃烧室流场结构的影响较小,随着扩张段长度的增大,燃烧室出口燃烧效率和燃烧室推力都略微减小.在燃烧室长度的设计范围内,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.

燃烧室构型对固体燃料超燃冲压发动机自点火的影响

数值研究了PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)在带凹腔的固体燃料超燃冲压发动机燃烧室中的瞬态自点火机理以及燃烧室构型对自点火的影响.基于求解非定常二维轴对称RANS(Reynolds-averaged NavierStokes)方程建立数值模型,湍流模型采用SST(shear stress transport)k-ω模型,燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型.结果表明:反应物在凹腔提供停留时间内,产生的化学反应热能够持续积累并提高,使得反应气体达到点火温度时,燃烧室能够实现自点火.凹腔长度、凹腔直径、收敛角和平直段直径是燃烧室构型中影响自点火的主要因素.并提出了一种阶梯式凹腔构型,用于增强自点火性能.

进气道内压缩比对固体燃料超燃冲压发动机性能的影响

为研究固体燃料超燃冲压发动机进气道与燃烧室的匹配特性,以飞行马赫数为6、飞行高度为25km为设计点对发动机各部件进行初步设计,采用数值模拟方法计算了一系列具有不同进气道内收缩比的发动机模型.结果表明:在保持燃烧室结构不变的条件下,发动机推力与比冲随进气道内压缩比增大开始显著下降,随后小幅上升;在保持燃烧室入口面积扩张比不变的条件下,发动机总体性能随进气道内收缩比的增大而提高.在满足进气道起动与燃烧室火焰稳定的前提下,发动机设计应采用尽可能大的进气道内收缩比与尽可能小的燃烧室入口面积扩张比.