| 超声速燃烧室热环境实验研究 |
| 英文题名 | Experimental study on thermal environment of scramjet combustor
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| 程迪
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| 导师 | 范学军
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| 2015
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| 学位授予单位 | 中国科学院研究生院
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 博士
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| 学位专业 | 流体力学
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| 摘要 | 超声速燃烧冲压发动机是实现高超声速巡航飞行的关键技术，作为超燃冲压发动机的核心部件，超声速燃烧室是其中热环境最恶劣的部分。超声速燃烧室的热流测量和分析对超燃冲压发动机热防护系统的研制具有重要意义。 本文针对超声速燃烧室的热环境测量和分析做了四方面工作：改进了原有的热流计加工工艺，设计了新的快速标定装置，使热流计能稳定可靠地应用于大规模试验中；对超声速燃烧室热环境进行了详细的参数化的试验研究，得到了一批实验数据并进行了分析；将试验结果与CFD及准一维性能分析方法得到的结果进行了相互比较和分析；提出一套利用一维化CFD结果用于验证准一维性能分析程序的方法。 首先，为了保障较大规模的试验的中热流测量系统的顺利运行，本文针对原有热流计的稳定性和可靠性问题进行了研究，发现导热胶层的质量和高温可靠性是热流计可靠性的瓶颈，从而提出了采用梯级钎焊工艺代替原有的粘压工艺制作热流计的新方法。使用改进后的方法生产的热流计成品率提高1.5倍，技术指标离散程度显著降低，热流灵敏度为12.45±2.84W/cm2/mV，温差灵敏度为35.3±12.5K/mV，响应时间为8.23±1.20s。本文还设计和制作了可以同时标定热流灵敏度和温差灵敏度的稳态电加热热流标定装置，简化了标定流程并提高了标定效率，将标定时间从2小时/个降低至15分钟/个。 其次，针对超声速燃烧的复杂流场中可能影响热流分布的关键参数，本文设计了五组共14次试验，在力学所长时间直连式超声速燃烧试验台上，利用自制的热流传感器，对采用对置错位凹腔的超声速燃烧室上、下和侧板的热流密度分布进行了参数化研究。试验中燃料主要采用超临界的RP-3煤油(温度773±20 K），入口Mach数范围为2.0到2.5，来流总温1305K到1701K，质量流量2.0kg/s至3.0kg/s，煤油当量比0.52到0.88。试验结果确认了热流密度不对称性和地面试验背压导致的分离对热流密度的影响，并分析了其随各主要参数的变化规律，发现热流密度分布随总温线性变化、随流量的0.8次方增加，但是存在热流密度随当量比变化不大，并受来流Mach数影响较大等现象。根据试验数据，在现有理论的基础上，本文针对冷态隔离段的平均热流密度提出了一个三参数的关联式，热流密度根据该关联式归一化后显示出一定的相似性。 然后，本文将试验结果与准一维计算值和采用分离涡模拟（DES）的CFD结果进行了比较，发现计算结果在趋势和量级上能与试验数据相符，但是局部细节有诸多差异。由于流动分离导致芯流面积减小，准一维性能分析方法计算得到的热流值在有较强激波串的隔离段内存在一非物理的热流峰值，而对于隔离段内激波串较弱的情况，则与试验值符合得比较好。通过对采用分离涡模拟的第8次试验的DES计算结果流场与试验值的对比，发现二者基本趋势一致，但是DES结果在上板燃烧区计算得到的热流比试验值偏大约1/3，而在下板边界层受波系扰动区域，DES结果出现热流增大现象，与试验值不一致。同时，DES结算结果显示分层流动和横向效应对热流的空间分布有一定影响。 最后，本文提出了一套将CFD结果进行一维化的方法，并以此对准一维性能分析方法的准确性和误差进行了验证，发现即使在分层流动中准一维性能分析方法计算平均速度依然非常准确，但在计算其他截面平均量有一定误差。误差主要来源于采用流量公式计算密度和采用平均温度计算比显焓的过程，但是误差在除凹腔之外相对大小有限，基本可以满足工程需要。不过在计算壁面损失量时，准一维性能预测方法计算得到的总传热量在燃烧区低于对应的CFD计算值。 |
| 索取号 | 31208
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55094
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| 专题 | 高温气体动力学国家重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
程迪. 超声速燃烧室热环境实验研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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