超燃冲压发动机燃烧室热环境模拟技术

超燃发动机的热环境模拟包括燃烧室内的非预混湍流燃烧，高温燃烧气体与发动机壁面的辐射和对流换热；超燃发动机热环境CFD模拟精度严重依赖于是否采用合适的湍流流动模型、湍流燃烧模型以及辐射换热模型的计算精度，本项目针对超燃发动机全面开展了高精度辐射换热模型研究，湍流燃烧模型的研究，以及湍流流动模型的研究。为保证超燃发动机燃烧的精确模拟首先必须采用合适的湍流流动模型精确模拟燃料和空气的湍流掺混；与实验数据对比表明k-ω SST湍流流动模型能够精确模拟激波生成湍流以及边界层生成湍流，适合于超燃发动机的湍流流动模拟。湍流燃烧模型建立了网格内燃料/氧化剂实现分子层面混合/燃烧的微观结构与网格宏观参数的桥梁；与实验数据对比表明采用最优A值的EDM模型能够精确模拟超燃发动机内的湍流燃烧；为提高EDM模型对其他湍流燃烧的通用性，项目组提出了修改版的EDM模型并通过大量的试验数据进行了验证。精确地模拟超燃发动机内气体与壁面的辐射换热对发动机燃烧室内总的热平衡和燃烧室壁面局部过热分析至关重要，精确地模拟气体辐射换热需要采用精确的波谱模型，计算非常耗时，工程上不可行，项目组提出的灰气体辐射程序法能精确定位最大辐射热流密度位置且计算误差能够控制在10%以内。相关研究成果已经发表在国际国内的权威杂志上，共发表论文10篇；其中Progress in Energy and Combustion Science 邀稿1篇，Combustion Science and Technology 1 篇，Progress in Computational Fluid Mechanics 1篇；EI论文6篇，其他杂志论文1篇。项目执行期间培养硕士研究生8名。 2100433B

超燃冲压发动机燃烧室热环境研究是保证发动机长时间稳定、高效运行的基础，其研究还可以避免不合理的热环境导致发动机壁面局部温度过高和发动机效率低下，是高超声速飞行器推进系统研制过程中需要研究的重大基础问题之一。超燃冲压发动机的燃烧流场结构在空间和时间上有着多尺度特征。为了对如此复杂的多尺度物理问题进行高效、准确的数值研究，本项目拟开展高精度湍流燃烧模拟，高精度湍流流动模拟，和高精度辐射换热模拟等三项制约发动机热环境计算精度的数值模拟技术研究。同时，考虑到超燃发动机设计的阶段性需要，还将针对概念设计和初始设计阶段的需求，通过理论分析和对高精度数值模拟结果进行拟合给出燃烧室内辐射换热和对流换热的工程估算关联式。作为数值模拟的重要环节，本项目将基于大量的超声速燃烧试验数据，开展超燃冲压发动机燃烧数值模拟的验证工作，致力于为高超声速科技的发展提供高效可靠的数值分析结果。

书号 978-7-118-11639-7

作者 于达仁等

出版时间 2019年3月

译者

版次 1版1次

开本 16

装帧 平装

出版基金

页数 280

字数 350

中图分类 V235.21

丛书名 高超声速科学与技术丛书

定价 128.00

内容简介

本书以超燃冲压发动机为研究对象，从发动机基本控制问题出发并结合已有飞行试验经验给出了一种超燃冲压发动机基本控制方案，讨论了发动机控制模型维数和反馈变量选择原则并介绍了发动机推力闭环控制系统设计方法，探讨了超燃冲压发动机燃烧模态转换特性及其转换控制方法，介绍了高超声速进气道起动/ 不起动监测方法及其稳定裕度控制方法，同时给出了超燃冲压发动机推力调节/ 进气道保护切换控制方法，研究了超燃冲压发动机燃烧室释热分布最优控制问题，最后从飞/推一体化视角介绍了高超声速飞行器轨道优化问题。

目录

常用符号表

第1章 绪论

1．1 双模态超燃冲压发动机的典型飞行试验

1．2 双模态超燃冲压发动机控制研究现状分析

1．2．1 飞行试验中发动机控制现状分析

1．2．2 进气道不起动监测及保护控制现状分析

1．2．3 燃烧模态转换控制现状分析

1．2．4 吸气式飞/推系统轨迹优化研究现状分析

1．3 双模态超燃冲压发动机推力控制问题分析

1．4 双模态超燃冲压发动机不起动监测与控制问题

1．4．1 高超声速进气道不起动监测

1．4．2 高超声速进气道不起动保护控制

1．5 双模态超燃冲压发动机燃烧模态转换控制问题

1．5．1 燃烧模态转换特性

1．5．2 燃烧模态转换控制

1．6 冲压发动机飞/推系统设计与控制面临的主要问题

1．6．1 考虑飞/推系统强耦合特性的最优轨迹问题

1．6．2 复杂热力系统多变量多约束最优控制问题

1．7 小结

参考文献

第2章 双模态超燃冲压发动机工作原理

2．1 双模态超燃冲压发动机的流动特点与模态定义

2．2 双模态超燃冲压发动机热力循环及性能指标

2．2．1 发动机的热力循环过程

2．2．2 发动机的能量转换过程

2．2．3 性能指标

2．3 双模态超燃冲压发动机进气道

2．3．1 进气道性能参数

2．3．2 进气道典型工作状态

2．3．3 进气道起动/不起动

2．4 双模态超燃冲压发动机燃烧室

2．4．1 若干基本概念

2．4．2 燃烧室性能分析方法

2．5 双模态超燃冲压发动机尾喷管

2．6 双模态超燃冲压发动机工作过程的特殊性

2．6．1 强分布参数特性

2．6．2 多模态优化选择

2．7 小结

参考文献

第3章 双模态超燃冲压发动机控制问题分析和控制方案

3．1 双模态超燃冲压发动机控制问题分析

3．1．1 推力回路控制问题分析

3．1．2 进气道不起动保护控制问题分析

3．1．3 超温保护控制问题分析

3．1．4 燃烧室贫/富油熄火限制

3．2 双模态超燃冲压发动机控制方案

3．2．1 美国X-51A控制方案分析

3．2．2 推力调节/安全保护切换控制方案提出

3．2．3 控制回路组成及分析

3．3 小结

参考文献

第4章 双模态超燃冲压发动机控制模型

4．1 双模态超燃冲压发动机稳态数学模型

4．1．1 数学模型的维数选择

4．1．2 发动机一维模型

4．2 双模态超燃冲压发动机控制模型时间尺度分析

4．3 双模态超燃冲压发动机被控变量选择

4．3．1 燃烧室最大压比

4．3．2 燃烧室壁面压力积分

4．4 小结

参考文献

第5章 双模态超燃冲压发动机推力闭环控制方法

5．1 双模态超燃冲压发动机推力表征

5．1．1 地面直连式试验条件下的推力定义

5．1．2 推力增量与压力积分的定义

5．1．3 基于燃烧室壁面压力积分的推力增量表征

5．2 双模态超燃冲压发动机推力闭环控制系统设计

5．2．1 控制对象特性分析及建模

5．2．2 控制性能要求分析与控制器设计

5．3 控制系统鲁棒性能分析

5．3．1 增益摄动时的鲁棒性

5．3．2 动态摄动时的鲁棒性

5．4 推力闭环控制地面试验验证

5．5 小结

参考文献

第6章 双模态超燃冲压发动机燃烧模态转换及其控制

6．1 燃烧模态转换马赫数的选择准则

6．1．1 宽马赫数范围发动机性能分析

6．1．2 最大推力需求下的燃烧模态转换马赫数选择

6．1．3 最大比冲需求下的燃烧模态转换马赫数选择

6．2 燃烧模态转换边界及其影响因素分析

6．2．1 燃烧模态转换边界空间描述

6．2．2 模态转换边界影响因素分析

6．3 燃烧模态转换中的突变与滞环问题

6．4 燃烧模态转换过程分析

6．4．1 转换路径的影响

6．4．2 突变特性的影响

6．4．3 滞环特性的影响

6．5 双模态超燃冲压发动机燃烧模态转换控制

6．5．1 燃烧模态表征与监测

6．5．2 燃烧模态转换控制基本方案

6．5．3 控制方案仿真

6．6 小结

参考文献

第7章 高超声速进气道不起动监测方法研究

7．1 进气道起动/不起动模式分类数据准备

7．1．1 进气道物理模型

7．1．2 进气道不起动数据组成及分析

7．2 基于支持向量机的高超声速进气道起动/不起动模式分类

7．2．1 支持向量机的基本理论和方法

7．2．2 基于支持向量机的特征选择算法

7．2．3 基于支持向量机的进气道起动/不起动特征选择

7．2．4 进气道起动/不起动分类结果及验证分析

7．2．5 分类方法的对比分析

7．3 基于FLD分析的进气道起动/不起动最优分类准则研究

7．3．1 FLD相关的基本知识

7．3．2 进气道起动/不起动最优分类准则

7．3．3 分类准则的物理意义

7．3．4 分类准则中隔离带的作用

7．4 多传感器融合的进气道起动/不起动分类方法研究

7．4．1 概率输出支持向量机

7．4．2 多传感器分组和融合

7．4．3 多传感器融合结果分析

7．5 小结

参考文献

第8章 高超声速进气道不起动边界及稳定裕度控制

8．1 高超声速进气道不起动边界的无量纲分析

8．1．1 进气道前体压缩压比的无量纲表示

8．1．2 隔离段压比的无量纲表示

8．1．3 进气道压缩压比的无量纲表示

8．2 高超声速进气道稳定裕度控制方法研究

8．2．1 高超声速进气道稳定裕度的表示方法

8．2．2 高超声速进气道不起动控制策略分析

8．2．3 高超声速进气道等裕度增益调度控制

8．3 进气道稳定裕度控制闭环仿真验证

8．4 小结

参考文献

第9章 双模态超燃冲压发动机推力调节/进气道保护切换控制

9．1 基于Min规则的发动机推力调节/进气道保护切换控制方法

9．1．1 切换逻辑及切换规则

9．1．2 控制器积分上限参数对切换过程的影响分析

9．1．3 基于Min规则发动机推力调节/进气道保护切换控制地面试验验证

9．2 基于积分重置的发动机推力调节/进气道保护无扰切换控制

9．2．1 切换逻辑及切换规则

9．2．2 切换逻辑半实物仿真及参数给定分析

9．2．3 发动机推力调节/进气道保护切换控制地面试验验证

9．3 双模态超燃冲压发动机两点燃油分配方案

9．3．1 两点燃油喷射下的发动机特性仿真分析

9．3．2 两点燃油喷射下的发动机地面试验结果分析

9．3．3 双模态超燃冲压发动机两点燃油分配方案评估

9．4 考虑两点燃油喷射的发动机推力调节/进气道安全保护控制

9．4．1 双模态超燃冲压发动机特性分析及建模

9．4．2 双回路控制系统设计

9．4．3 控制系统数值仿真验证

9．4．4 控制系统地面试验验证

9．5 小结

参考文献

第10章 超声速燃烧室释热分布最优控制

10．1 超声速燃烧释热最优控制问题与求解方法

10．1．1 理想超声速燃烧释热最优控制问题

10．1．2 间接法求解释热规律最优控制问题

10．2 扩张型燃烧室的超声速燃烧释热最优控制

10．3 超声速燃烧最优释热规律特性分析

10．4 内型线与释热分布耦合最优控制

10．5 小结

参考文献

第11章 吸气式高超声速飞行器的轨道优化问题

11．1 考虑发动机推进机理的飞/推系统最优轨迹问题

11．1．1 面向轨迹优化控制的飞/推系统建模方法

11．1．2 飞/推系统加速段轨迹最优控制问题的一般形式

11．2 求解轨迹最优控制问题的一般方法

11．2．1 间接法求解轨迹最优控制问题

11．2．2 直接法求解轨迹最优控制问题

11．2．3 间接法与直接法的等效关系

11．3 冲压发动机推进的飞/推系统加速段最小油耗轨迹

11．4 飞/推系统起飞质量对最小油耗轨迹的影响

11．5 飞/推系统性能指标对最优轨迹的影响

11．5．1 最小油耗轨迹与最小时间轨迹

11．5．2 飞/推系统最优轨迹实时效率分析

11．6 飞/推系统发动机性能对最优轨迹的影响

11．6．1 尾喷管喉道可控对最优轨迹的影响

11．6．2 基于超声速燃烧推进的轨迹优化问题

11．7 飞/推系统约束对最优轨迹的影响

11．7．1 超温约束与不起动约束对最优轨迹的影响

11．7．2 等动压约束对最优加速轨迹的影响

11．8 小结

参考文献 2100433B

燃烧室(又称主燃烧室)，是用来将燃油中的化学能转变为热能，将压气机增压后的高压空气加热到涡轮前允许的温度，以便进入涡轮和排气装置内膨胀做功的部件。

燃烧室都是由进气装置（扩压器）、壳体、火焰筒、喷嘴和点火器等基本构件组成，根据主要构件结构形式的不同，燃烧室有分管(单管)、环管和环形三种基本类型 。