| 氢气和煤油驱动超声速燃烧数值模拟研究 |
| 英文题名 | Numerical Investigation of Supersonic Combustion
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| 范锷
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| 导师 | 姚卫
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| 2017
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| 学位授予单位 | 中国科学院大学
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 硕士
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| 学位专业 | 流体力学
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| 摘要 | 实现高效超声速燃烧是研制超燃冲压发动机的关键技术。由于地面实验代价 极高且测量手段有限，高保真度数值模拟成为超声速燃烧基础研究的必要手段。 本研究基于可压缩反应流数值计算平台AstroFoam，采用基于改进延迟分离 涡（IDDES）的混合雷诺时均/大涡模拟（RANS/LES）湍流模拟框架和部分搅拌 反应器（PaSR）湍流燃烧模型，分别研究了真实超燃冲压发动机燃烧室中氢气 和国产RP-3 航空煤油的超声速燃烧特性。 超声速横向射流是超声速燃烧研究的一个经典问题，其复杂的三维流场结构 极大影响燃料与空气的混合及其后续燃烧。本研究首先选取氢气作为燃料研究超 声速横向射流的燃烧特性，因其化学反应动力学相对简单。本研究数值计算预测 壁面压力曲线与实验相符良好，优于现有文献中数值计算结果。模拟捕捉到了三 维超声速横向射流结构的主要特征。结合Q 准则(速度梯度张量的第二不变量) 等值面与OH 质量分数等高线分布，燃烧区域被分为混合区、点火区和湍流燃烧 区。混合区内燃料与空气混合不充分，无法实现自点火。待进入点火区，射流核 心脱离壁面，部分区域燃料与空气进入燃烧区域，开始点火。点火区下游燃料与 空气已充分混合，在上游自由基作用下燃烧室内出现大面积火焰。对流向截面分 析表明，点火源头位于射流核心与主流间的剪切层内，开尔文-赫姆霍兹不稳定 性可能是引起点火的深层原因。 航空煤油超声速燃烧针对轴对称燃烧室结构进行研究。煤油组分复杂，为降 低模拟复杂RP-3 复合物燃烧化学反应的巨大计算代价，研究采取三组分替代表 征RP-3 的化学组成，并利用耦合误差传递和敏感性分析的直接关系图法简化得 到39 组分/153 反应的骨架机理。骨干机理在各方面都与详细机理接近。更进一 步，燃烧化学反应计算采用ISAT 加快化学反应计算速率。数值计算壁面压力分 布与实验值基本相符。三维流场分析表明进气道内边界层过早分离，会导致较低 的燃料穿透深度，并且抑制燃料/空气混合。燃烧最剧烈区域在两凹腔附近剪切 层内。燃烧室中轴线附近始终处于超声速，其组分几乎不受燃烧影响。上游凹腔 段燃烧都发生在亚声速区域，下游区域燃烧与马赫数无明显关联。鉴于大分子燃 料在高温高压时可能发生聚合反应而不是分解反应，而本文所用骨干机理并未包 含聚合机理，这可能是导致边界层提前分离的原因之一。 |
| 索取号 | Mas2017-004
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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/311007/60388
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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 |
范锷. 氢气和煤油驱动超声速燃烧数值模拟研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.
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