粉末燃料组合冲压发动机工作特性研究

来源 :南京理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuanCL19861125
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固体燃料冲压发动机具有结构简单、可靠性高等优势,同时也存在着燃速无法调控、效率低等劣势。粉末燃料冲压发动机是一种以高能金属粉末为燃料的新型冲压发动机,能够实现燃料供给速率可调控,但也存在热防护困难、燃烧产物沉积严重等问题。鉴于粉末燃料冲压发动机和固体燃料冲压发动机的优缺点,本论文提出一种将粉末燃料和固体燃料组合、面向高马赫数飞行的新概念冲压发动机,结合两种发动机的优势,弥补缺点,期望获得较好的性能。本论文采用数值仿真的方法,对粉末燃料冲压发动机中粉末高效输送、流动燃烧等方面进行研究,同时,也对粉末/固体燃料组合冲压发动机的工作特性进行数值仿真研究。研究内容和结论如下:(1)基于CFD-DEM耦合模型,考虑颗粒间的碰撞作用和弹塑性形变,以输送系统中的关键结构弯管为对象,开展了气固两相流流场特性研究。结果表明:CFD-DEM算法能提供准确的包括颗粒运动轨迹、碰撞等粒子尺度信息。弯管内的总压损失随流化气流量的增加,呈先减少后增加的趋势,本文中优选的流化气流量为6g/s~7g/s;低流量下,颗粒间的碰撞次数远大于颗粒-壁面间的碰撞,随着流量的增高,颗粒与外壁面间的碰撞次数迅速增高,并导致颗粒-壁面间的碰撞次数超过颗粒间的碰撞。弯径越大,总压损失越大,但颗粒-颗粒、颗粒-壁面的碰撞次数均减少。(2)采用颗粒随机轨道模型和单步总包反应模型对粉末燃料冲压发动机的流动燃烧特性进行数值模拟研究,分析了喷注方式、颗粒粒径及流化气对发动机工作性能的作用规律。结果表明:垂直隔离段喷注时,喷注口距燃烧室越远,燃烧室内颗粒浓度越低;氮气等惰性气体作流化气时,会削弱颗粒的燃烧;15μm粒径的颗粒燃烧效果最好,粒径越小,燃速越高,燃烧位置越靠近隔离段,但会造成回流区氧浓度的骤降,致使颗粒燃烧不完全;平行隔离段喷注时,颗粒掺混性能较好,但燃烧性能欠佳。(3)在粉末燃料冲压发动机的研究基础上,采用UDF程序模拟固体燃料的汽化,开展燃料组合冲压发动机工作特性研究。对比分析了粉末燃料、粉末/固体燃料组合冲压发动机的流动燃烧特性,研究了颗粒当量比对燃料组合发动机性能的作用规律。结果表明:相对于粉末燃料冲压发动机,固体燃料的加入能够影响粉末燃料的燃烧,提高发动机的性能。在本文所设计的发动机构型下,发动机的燃烧效率和推力随当量比的增加呈先增加再减少的趋势,最佳的颗粒当量比在0.66附近。
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