超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換及其控制方法研究.pdf

1、寬飛行馬赫數(shù)范圍內(nèi)高性能工作是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的必然需求。在飛行馬赫數(shù)較低時(shí)，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在亞燃模態(tài)具有更高的比沖性能，但容易引起進(jìn)氣道的不起動(dòng)。隨著飛行馬赫數(shù)和飛行高度的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)受到超溫和氣體離解損失的制約，此時(shí)工作在亞燃模態(tài)不再具有更好的性能，應(yīng)采用超燃模態(tài)。因此，為滿足寬?cǎi)R赫數(shù)條件下發(fā)動(dòng)機(jī)存在的約束和對(duì)高性能的需求，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)需要在工作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換。本文面向超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換特性及其控制的相關(guān)

2、問(wèn)題，開(kāi)展了如下幾個(gè)方面的工作：
　　通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)存在很強(qiáng)的分布參數(shù)特性和多模態(tài)特性，在進(jìn)行循環(huán)性能分析時(shí)，原有的零維分析方法不再適用，從而提出對(duì)一維模型的需求。進(jìn)一步建立了包含一維模型的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)性能分析方法。給出了一維跨聲速反應(yīng)流的基本控制方程，該方程包含了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能存在影響的眾多物理效應(yīng)。采用變量代換的方法對(duì)一維跨聲速反應(yīng)流控制方程進(jìn)行了重構(gòu)，消除了原方程存在的數(shù)學(xué)奇異性。針對(duì)重構(gòu)后的控制方程，提

3、出了一種改進(jìn)的迭代求解方法。通過(guò)跟已有的一維跨聲速流動(dòng)求解方法對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，新提出的改進(jìn)求解算法具有更廣的適用范圍、更好的求解穩(wěn)定性和更高的求解精度。
　　單級(jí)燃料注入的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)由于受到循環(huán)的限制，無(wú)法發(fā)揮其推力輸出的潛力，從而揭示出多級(jí)燃料注入的必要性和重要性。基于再熱循環(huán)的分析方法，給出了一個(gè)分析多級(jí)燃料注入超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的參數(shù)化模型，研究了兩級(jí)燃料注入超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒模態(tài)特性。分析了燃燒室面積擴(kuò)張比、燃料注入次

4、數(shù)以及面積擴(kuò)張比分配對(duì)多級(jí)燃料注入超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。發(fā)現(xiàn)增加燃燒室面積擴(kuò)張比能夠有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力輸出能力，而不宜過(guò)多增加燃料注入點(diǎn)。
　　超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行過(guò)程中需要在合適的馬赫數(shù)下進(jìn)行燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)整個(gè)飛行軌線內(nèi)的性能最大化。基于此目的，提出了基于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)性能和飛行任務(wù)的燃燒模態(tài)選擇策略。分析了帶有等直型燃燒室的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在不同燃燒模態(tài)下的循環(huán)性能隨飛行馬赫數(shù)的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)加速型的飛行任

5、務(wù)，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該設(shè)計(jì)在飛行馬赫數(shù)6到7的范圍內(nèi)某點(diǎn)進(jìn)行燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換才能獲得最大的加速性能；針對(duì)巡航型飛行任務(wù)，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該在滿足推力需求的情況下，盡量工作在亞燃模態(tài)。
　　給出了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)飛行軌線上的燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換邊界的空間描述方式。研究了幾何構(gòu)型、釋熱分布、壁面溫度、壁面摩擦及來(lái)流組分等因素對(duì)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換邊界的影響。這些影響規(guī)律可以為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)突變和滯環(huán)特性的分析

6、，基于突變理論，給出了燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換突變和滯環(huán)特性的兩種形成物理機(jī)制：燃燒釋熱不穩(wěn)定性和流動(dòng)分離不穩(wěn)定性，并通過(guò)一維模型進(jìn)行了驗(yàn)證。分析了噴嘴切換帶來(lái)的燃料不連續(xù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。
　　通過(guò)對(duì)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程的詳細(xì)分析，揭示出燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制的本質(zhì)是保護(hù)控制，即保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換，防止發(fā)動(dòng)機(jī)因燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換引起的推力突變和滯環(huán)問(wèn)題而出現(xiàn)失穩(wěn)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中突變和滯環(huán)特性的不同，給出了相應(yīng)的燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制基