超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室熱環(huán)境模擬技術(shù)

超燃發(fā)動機(jī)的熱環(huán)境模擬包括燃燒室內(nèi)的非預(yù)混湍流燃燒，高溫燃燒氣體與發(fā)動機(jī)壁面的輻射和對流換熱；超燃發(fā)動機(jī)熱環(huán)境CFD模擬精度嚴(yán)重依賴于是否采用合適的湍流流動模型、湍流燃燒模型以及輻射換熱模型的計(jì)算精度，本項(xiàng)目針對超燃發(fā)動機(jī)全面開展了高精度輻射換熱模型研究，湍流燃燒模型的研究，以及湍流流動模型的研究。為保證超燃發(fā)動機(jī)燃燒的精確模擬首先必須采用合適的湍流流動模型精確模擬燃料和空氣的湍流摻混；與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比表明k-ω SST湍流流動模型能夠精確模擬激波生成湍流以及邊界層生成湍流，適合于超燃發(fā)動機(jī)的湍流流動模擬。湍流燃燒模型建立了網(wǎng)格內(nèi)燃料/氧化劑實(shí)現(xiàn)分子層面混合/燃燒的微觀結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格宏觀參數(shù)的橋梁；與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比表明采用最優(yōu)A值的EDM模型能夠精確模擬超燃發(fā)動機(jī)內(nèi)的湍流燃燒；為提高EDM模型對其他湍流燃燒的通用性，項(xiàng)目組提出了修改版的EDM模型并通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。精確地模擬超燃發(fā)動機(jī)內(nèi)氣體與壁面的輻射換熱對發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)總的熱平衡和燃燒室壁面局部過熱分析至關(guān)重要，精確地模擬氣體輻射換熱需要采用精確的波譜模型，計(jì)算非常耗時(shí)，工程上不可行，項(xiàng)目組提出的灰氣體輻射程序法能精確定位最大輻射熱流密度位置且計(jì)算誤差能夠控制在10%以內(nèi)。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在國際國內(nèi)的權(quán)威雜志上，共發(fā)表論文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論文6篇，其他雜志論文1篇。項(xiàng)目執(zhí)行期間培養(yǎng)碩士研究生8名。 2100433B

超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室熱環(huán)境研究是保證發(fā)動機(jī)長時(shí)間穩(wěn)定、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，其研究還可以避免不合理的熱環(huán)境導(dǎo)致發(fā)動機(jī)壁面局部溫度過高和發(fā)動機(jī)效率低下，是高超聲速飛行器推進(jìn)系統(tǒng)研制過程中需要研究的重大基礎(chǔ)問題之一。超燃沖壓發(fā)動機(jī)的燃燒流場結(jié)構(gòu)在空間和時(shí)間上有著多尺度特征。為了對如此復(fù)雜的多尺度物理問題進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的數(shù)值研究，本項(xiàng)目擬開展高精度湍流燃燒模擬，高精度湍流流動模擬，和高精度輻射換熱模擬等三項(xiàng)制約發(fā)動機(jī)熱環(huán)境計(jì)算精度的數(shù)值模擬技術(shù)研究。同時(shí)，考慮到超燃發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的階段性需要，還將針對概念設(shè)計(jì)和初始設(shè)計(jì)階段的需求，通過理論分析和對高精度數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行擬合給出燃燒室內(nèi)輻射換熱和對流換熱的工程估算關(guān)聯(lián)式。作為數(shù)值模擬的重要環(huán)節(jié)，本項(xiàng)目將基于大量的超聲速燃燒試驗(yàn)數(shù)據(jù)，開展超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒數(shù)值模擬的驗(yàn)證工作，致力于為高超聲速科技的發(fā)展提供高效可靠的數(shù)值分析結(jié)果。

書號 978-7-118-11639-7

作者 于達(dá)仁等

出版時(shí)間 2019年3月

譯者

版次 1版1次

開本 16

裝幀 平裝

出版基金

頁數(shù) 280

字?jǐn)?shù) 350

中圖分類 V235.21

叢書名 高超聲速科學(xué)與技術(shù)叢書

定價(jià) 128.00

內(nèi)容簡介

本書以超燃沖壓發(fā)動機(jī)為研究對象，從發(fā)動機(jī)基本控制問題出發(fā)并結(jié)合已有飛行試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)給出了一種超燃沖壓發(fā)動機(jī)基本控制方案，討論了發(fā)動機(jī)控制模型維數(shù)和反饋?zhàn)兞窟x擇原則并介紹了發(fā)動機(jī)推力閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，探討了超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換特性及其轉(zhuǎn)換控制方法，介紹了高超聲速進(jìn)氣道起動/ 不起動監(jiān)測方法及其穩(wěn)定裕度控制方法，同時(shí)給出了超燃沖壓發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)/ 進(jìn)氣道保護(hù)切換控制方法，研究了超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室釋熱分布最優(yōu)控制問題，最后從飛/推一體化視角介紹了高超聲速飛行器軌道優(yōu)化問題。

目錄

常用符號表

第1章 緒論

1．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)的典型飛行試驗(yàn)

1．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)控制研究現(xiàn)狀分析

1．2．1 飛行試驗(yàn)中發(fā)動機(jī)控制現(xiàn)狀分析

1．2．2 進(jìn)氣道不起動監(jiān)測及保護(hù)控制現(xiàn)狀分析

1．2．3 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制現(xiàn)狀分析

1．2．4 吸氣式飛/推系統(tǒng)軌跡優(yōu)化研究現(xiàn)狀分析

1．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)推力控制問題分析

1．4 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)不起動監(jiān)測與控制問題

1．4．1 高超聲速進(jìn)氣道不起動監(jiān)測

1．4．2 高超聲速進(jìn)氣道不起動保護(hù)控制

1．5 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制問題

1．5．1 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換特性

1．5．2 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制

1．6 沖壓發(fā)動機(jī)飛/推系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制面臨的主要問題

1．6．1 考慮飛/推系統(tǒng)強(qiáng)耦合特性的最優(yōu)軌跡問題

1．6．2 復(fù)雜熱力系統(tǒng)多變量多約束最優(yōu)控制問題

1．7 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第2章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)工作原理

2．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)的流動特點(diǎn)與模態(tài)定義

2．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)及性能指標(biāo)

2．2．1 發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)過程

2．2．2 發(fā)動機(jī)的能量轉(zhuǎn)換過程

2．2．3 性能指標(biāo)

2．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道

2．3．1 進(jìn)氣道性能參數(shù)

2．3．2 進(jìn)氣道典型工作狀態(tài)

2．3．3 進(jìn)氣道起動/不起動

2．4 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室

2．4．1 若干基本概念

2．4．2 燃燒室性能分析方法

2．5 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)尾噴管

2．6 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)工作過程的特殊性

2．6．1 強(qiáng)分布參數(shù)特性

2．6．2 多模態(tài)優(yōu)化選擇

2．7 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第3章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)控制問題分析和控制方案

3．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)控制問題分析

3．1．1 推力回路控制問題分析

3．1．2 進(jìn)氣道不起動保護(hù)控制問題分析

3．1．3 超溫保護(hù)控制問題分析

3．1．4 燃燒室貧/富油熄火限制

3．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)控制方案

3．2．1 美國X-51A控制方案分析

3．2．2 推力調(diào)節(jié)/安全保護(hù)切換控制方案提出

3．2．3 控制回路組成及分析

3．3 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第4章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)控制模型

4．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型

4．1．1 數(shù)學(xué)模型的維數(shù)選擇

4．1．2 發(fā)動機(jī)一維模型

4．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)控制模型時(shí)間尺度分析

4．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)被控變量選擇

4．3．1 燃燒室最大壓比

4．3．2 燃燒室壁面壓力積分

4．4 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第5章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)推力閉環(huán)控制方法

5．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)推力表征

5．1．1 地面直連式試驗(yàn)條件下的推力定義

5．1．2 推力增量與壓力積分的定義

5．1．3 基于燃燒室壁面壓力積分的推力增量表征

5．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)推力閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5．2．1 控制對象特性分析及建模

5．2．2 控制性能要求分析與控制器設(shè)計(jì)

5．3 控制系統(tǒng)魯棒性能分析

5．3．1 增益攝動時(shí)的魯棒性

5．3．2 動態(tài)攝動時(shí)的魯棒性

5．4 推力閉環(huán)控制地面試驗(yàn)驗(yàn)證

5．5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第6章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換及其控制

6．1 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換馬赫數(shù)的選擇準(zhǔn)則

6．1．1 寬馬赫數(shù)范圍發(fā)動機(jī)性能分析

6．1．2 最大推力需求下的燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換馬赫數(shù)選擇

6．1．3 最大比沖需求下的燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換馬赫數(shù)選擇

6．2 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換邊界及其影響因素分析

6．2．1 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換邊界空間描述

6．2．2 模態(tài)轉(zhuǎn)換邊界影響因素分析

6．3 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換中的突變與滯環(huán)問題

6．4 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換過程分析

6．4．1 轉(zhuǎn)換路徑的影響

6．4．2 突變特性的影響

6．4．3 滯環(huán)特性的影響

6．5 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制

6．5．1 燃燒模態(tài)表征與監(jiān)測

6．5．2 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制基本方案

6．5．3 控制方案仿真

6．6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第7章 高超聲速進(jìn)氣道不起動監(jiān)測方法研究

7．1 進(jìn)氣道起動/不起動模式分類數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

7．1．1 進(jìn)氣道物理模型

7．1．2 進(jìn)氣道不起動數(shù)據(jù)組成及分析

7．2 基于支持向量機(jī)的高超聲速進(jìn)氣道起動/不起動模式分類

7．2．1 支持向量機(jī)的基本理論和方法

7．2．2 基于支持向量機(jī)的特征選擇算法

7．2．3 基于支持向量機(jī)的進(jìn)氣道起動/不起動特征選擇

7．2．4 進(jìn)氣道起動/不起動分類結(jié)果及驗(yàn)證分析

7．2．5 分類方法的對比分析

7．3 基于FLD分析的進(jìn)氣道起動/不起動最優(yōu)分類準(zhǔn)則研究

7．3．1 FLD相關(guān)的基本知識

7．3．2 進(jìn)氣道起動/不起動最優(yōu)分類準(zhǔn)則

7．3．3 分類準(zhǔn)則的物理意義

7．3．4 分類準(zhǔn)則中隔離帶的作用

7．4 多傳感器融合的進(jìn)氣道起動/不起動分類方法研究

7．4．1 概率輸出支持向量機(jī)

7．4．2 多傳感器分組和融合

7．4．3 多傳感器融合結(jié)果分析

7．5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第8章 高超聲速進(jìn)氣道不起動邊界及穩(wěn)定裕度控制

8．1 高超聲速進(jìn)氣道不起動邊界的無量綱分析

8．1．1 進(jìn)氣道前體壓縮壓比的無量綱表示

8．1．2 隔離段壓比的無量綱表示

8．1．3 進(jìn)氣道壓縮壓比的無量綱表示

8．2 高超聲速進(jìn)氣道穩(wěn)定裕度控制方法研究

8．2．1 高超聲速進(jìn)氣道穩(wěn)定裕度的表示方法

8．2．2 高超聲速進(jìn)氣道不起動控制策略分析

8．2．3 高超聲速進(jìn)氣道等裕度增益調(diào)度控制

8．3 進(jìn)氣道穩(wěn)定裕度控制閉環(huán)仿真驗(yàn)證

8．4 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第9章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)/進(jìn)氣道保護(hù)切換控制

9．1 基于Min規(guī)則的發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)/進(jìn)氣道保護(hù)切換控制方法

9．1．1 切換邏輯及切換規(guī)則

9．1．2 控制器積分上限參數(shù)對切換過程的影響分析

9．1．3 基于Min規(guī)則發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)/進(jìn)氣道保護(hù)切換控制地面試驗(yàn)驗(yàn)證

9．2 基于積分重置的發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)/進(jìn)氣道保護(hù)無擾切換控制

9．2．1 切換邏輯及切換規(guī)則

9．2．2 切換邏輯半實(shí)物仿真及參數(shù)給定分析

9．2．3 發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)/進(jìn)氣道保護(hù)切換控制地面試驗(yàn)驗(yàn)證

9．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)兩點(diǎn)燃油分配方案

9．3．1 兩點(diǎn)燃油噴射下的發(fā)動機(jī)特性仿真分析

9．3．2 兩點(diǎn)燃油噴射下的發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)結(jié)果分析

9．3．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)兩點(diǎn)燃油分配方案評估

9．4 考慮兩點(diǎn)燃油噴射的發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)/進(jìn)氣道安全保護(hù)控制

9．4．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)特性分析及建模

9．4．2 雙回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

9．4．3 控制系統(tǒng)數(shù)值仿真驗(yàn)證

9．4．4 控制系統(tǒng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證

9．5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第10章 超聲速燃燒室釋熱分布最優(yōu)控制

10．1 超聲速燃燒釋熱最優(yōu)控制問題與求解方法

10．1．1 理想超聲速燃燒釋熱最優(yōu)控制問題

10．1．2 間接法求解釋熱規(guī)律最優(yōu)控制問題

10．2 擴(kuò)張型燃燒室的超聲速燃燒釋熱最優(yōu)控制

10．3 超聲速燃燒最優(yōu)釋熱規(guī)律特性分析

10．4 內(nèi)型線與釋熱分布耦合最優(yōu)控制

10．5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第11章 吸氣式高超聲速飛行器的軌道優(yōu)化問題

11．1 考慮發(fā)動機(jī)推進(jìn)機(jī)理的飛/推系統(tǒng)最優(yōu)軌跡問題

11．1．1 面向軌跡優(yōu)化控制的飛/推系統(tǒng)建模方法

11．1．2 飛/推系統(tǒng)加速段軌跡最優(yōu)控制問題的一般形式

11．2 求解軌跡最優(yōu)控制問題的一般方法

11．2．1 間接法求解軌跡最優(yōu)控制問題

11．2．2 直接法求解軌跡最優(yōu)控制問題

11．2．3 間接法與直接法的等效關(guān)系

11．3 沖壓發(fā)動機(jī)推進(jìn)的飛/推系統(tǒng)加速段最小油耗軌跡

11．4 飛/推系統(tǒng)起飛質(zhì)量對最小油耗軌跡的影響

11．5 飛/推系統(tǒng)性能指標(biāo)對最優(yōu)軌跡的影響

11．5．1 最小油耗軌跡與最小時(shí)間軌跡

11．5．2 飛/推系統(tǒng)最優(yōu)軌跡實(shí)時(shí)效率分析

11．6 飛/推系統(tǒng)發(fā)動機(jī)性能對最優(yōu)軌跡的影響

11．6．1 尾噴管喉道可控對最優(yōu)軌跡的影響

11．6．2 基于超聲速燃燒推進(jìn)的軌跡優(yōu)化問題

11．7 飛/推系統(tǒng)約束對最優(yōu)軌跡的影響

11．7．1 超溫約束與不起動約束對最優(yōu)軌跡的影響

11．7．2 等動壓約束對最優(yōu)加速軌跡的影響

11．8 小結(jié)

參考文獻(xiàn) 2100433B

燃燒室(又稱主燃燒室)，是用來將燃油中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑢簹鈾C(jī)增壓后的高壓空氣加熱到渦輪前允許的溫度，以便進(jìn)入渦輪和排氣裝置內(nèi)膨脹做功的部件。

燃燒室都是由進(jìn)氣裝置（擴(kuò)壓器）、殼體、火焰筒、噴嘴和點(diǎn)火器等基本構(gòu)件組成，根據(jù)主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式的不同，燃燒室有分管(單管)、環(huán)管和環(huán)形三種基本類型 。