超燃冲压发动机燃料前喷技术研究

摘要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT ..................................................................................................................... I I 第1章绪论 . (1)

1.1本文研究背景 (1)

1.1.1高超声速技术及超燃冲压发动机 (1)

1.1.2超燃冲压发动机性能提升面临的一些挑战 (1)

1.2本课题的研究意义 (4)

1.3国内外研究现状 (5)

1.3.1进气道内的燃料喷注 (6)

1.3.2隔离段内燃料前喷的实验研究 (8)

1.3.3国内研究现状 (10)

1.3.4研究现状小结 (10)

1.4本文的研究内容及章节安排 (12)

第2章燃料前喷的超燃冲压发动机性能理想分析 (13)

2.1引言 (13)

2.2燃料前喷的超燃冲压发动机热力过程分析 (13)

2.3燃料前喷对超燃冲压发动机性能的影响分析 (15)

2.4本章小结 (20)

第3章燃料前喷发动机冷态流场数值模拟研究 (21)

3.1引言 (21)

3.2数值模拟方法及喷射方案分析 (21)

3.2.1物理模型及数值模拟方法 (21)

3.2.2网格无关性验证 (22)

3.2.3数值模拟方法验证 (23)

3.2.4喷射方案分析 (25)

3.3燃料前喷吹除效果分析 (25)

3.3.1隔离段性能及流场品质评价方法 (25)

3.3.2燃料前喷对隔离段附面层吹除分析 (27)

3.4燃料前喷减阻效果影响分析 (30)

3.4.1喷射位置对减阻效果的影响 (30)

3.4.2喷射孔径对减阻效果的影响 (33)

- IV -

3.4.3喷射角度对减阻效果的影响 (34)

3.4.4喷射当量比对减阻效果的影响 (35)

3.4.5单双侧喷射对减阻效果的影响 (36)

3.5燃料前喷对隔离段壁面的冷却性能影响分析 (37)

3.5.1喷射位置对冷却性能的影响 (37)

3.5.2喷射孔径对冷却性能的影响 (38)

3.5.3喷射角度对冷却性能的影响 (38)

3.5.4喷射当量比对冷却性能的影响 (39)

3.5.5单双侧喷射对冷却性能的影响 (41)

3.6燃料前喷对隔离段掺混性能影响分析 (41)

3.6.1喷射位置对掺混效率的影响 (41)

3.6.2喷射孔径对掺混效率的影响 (42)

3.6.3喷射角度对掺混效率的影响 (43)

3.6.4喷射当量比对掺混效率的影响 (44)

3.6.5单双侧喷射对掺混效率的影响 (45)

3.7燃料前喷对隔离段出口气流不均匀度的影响分析 (45)

3.7.1喷射位置对出口气流不均匀度的影响 (45)

3.7.2喷射孔径对出口气流不均匀度的影响 (47)

3.7.3喷射角度对出口气流不均匀度的影响 (48)

3.7.4喷射当量比对出口气流不均匀度的影响 (49)

3.7.5单双侧喷射对出口气流不均匀度的影响 (51)

3.8燃料前喷对隔离段抗反压能力影响的分析 (52)

3.9本章小结 (56)

第4章燃料前喷发动机燃烧流场数值模拟研究 (58)

4.1引言 (58)

4.2模型简介及冷态流场数值模拟 (58)

4.2.1模型介绍及燃烧效率定义 (58)

4.2.2冷态数值仿真结果 (60)

4.3支板/后壁面喷油比例对发动机性能的影响 (61)

4.4不同前壁面/支板/后壁面喷油比例对发动机性能的影响 (65)

4.4.1前壁面小当量比下变喷射角度对发动机性能的影响 (65)

4.4.2前壁面喷射当量比极限的分析 (68)

4.4.3前壁面喷射位置对发动机性能的影响 (72)

4.5塔桥结构对反压前传的影响研究 (75)

- V -

4.5.1塔桥位置对反压前传的影响研究 (75)

4.5.2塔桥结构抑制反压前传的极限喷射量初步研究 (79)

4.6本章小结 (82)

结论 (83)

参考文献 (85)

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (89)

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- VI -

第1章绪论

1.1本文研究背景

1.1.1高超声速技术及超燃冲压发动机

飞行速度快、作战半径大、隐蔽性能好、反应时间短、突防能力强等特点。使得高超声速飞行器具有十分大的政治、军事和经济价值[1]。从目前公开的资料来看，美国、俄罗斯、德国、法国、澳大利亚、日本和印度等国均开展了高超声速飞行器的研究，诞生了Hyper-X、HyFly、HIFiRe等计划或是项目，在基础理论与工程应用方面获得显著突破，形成了重要的研究成果和专利[2]。作为此领域的头号霸主，美国更是在2013年5月实现X-51A的第四次实验，试飞圆满成功并发送了大量的遥测数据[3]。

作为高超声速飞行器最为重要部件的超燃冲压发动机，其关键技术是目前需要解决的核心问题。超燃冲压发动机的应用背景是高超声速巡航导弹、高超声速飞机、空天飞机以及未来的以RBCC组合循环为动力的单级天地往返运输系统。然而，超燃冲压发动机的性能提升还面临诸多技术难题和困难[4]。总之，超燃冲压发动机水平关乎国防安全和国际话语权，作为世界第二大经济体的中国，应该在此领域加快研发步伐。

图1-1 X-51A第四次试飞照片

1.1.2超燃冲压发动机性能提升面临的一些挑战

1.1.

2.1发动机热防护

随着马赫数的不断提高，气动加热和燃烧加热的双重作用，发动机热防护越来越困难。尤其是马赫数超过5以后，来流空气的滞止温度太高，不适合作为冷却剂。采用除燃料以外的冷却剂又会增加系统复杂性并且带来质量惩罚。此外，在保证发动机气动性能的条件下，烧蚀性耐温材料的使用也会受到局限。随着热防护技术发展，利用燃料作为冷却剂，充分利用燃料热沉来提升飞行器热防护能