超燃沖壓發(fā)動機燃燒室熱環(huán)境模擬技術項目摘要

超燃沖壓發(fā)動機燃燒室熱環(huán)境研究是保證發(fā)動機長時間穩(wěn)定、高效運行的基礎，其研究還可以避免不合理的熱環(huán)境導致發(fā)動機壁面局部溫度過高和發(fā)動機效率低下，是高超聲速飛行器推進系統(tǒng)研制過程中需要研究的重大基礎問題之一。超燃沖壓發(fā)動機的燃燒流場結構在空間和時間上有著多尺度特征。為了對如此復雜的多尺度物理問題進行高效、準確的數值研究，本項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制約發(fā)動機熱環(huán)境計算精度的數值模擬技術研究。同時，考慮到超燃發(fā)動機設計的階段性需要，還將針對概念設計和初始設計階段的需求，通過理論分析和對高精度數值模擬結果進行擬合給出燃燒室內輻射換熱和對流換熱的工程估算關聯式。作為數值模擬的重要環(huán)節(jié)，本項目將基于大量的超聲速燃燒試驗數據，開展超燃沖壓發(fā)動機燃燒數值模擬的驗證工作，致力于為高超聲速科技的發(fā)展提供高效可靠的數值分析結果。

超燃發(fā)動機的熱環(huán)境模擬包括燃燒室內的非預混湍流燃燒，高溫燃燒氣體與發(fā)動機壁面的輻射和對流換熱；超燃發(fā)動機熱環(huán)境CFD模擬精度嚴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算精度，本項目針對超燃發(fā)動機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；與實驗數據對比表明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)動機的湍流流動模擬。湍流燃燒模型建立了網格內燃料/氧化劑實現分子層面混合/燃燒的微觀結構與網格宏觀參數的橋梁；與實驗數據對比表明采用最優(yōu)A值的EDM模型能夠精確模擬超燃發(fā)動機內的湍流燃燒；為提高EDM模型對其他湍流燃燒的通用性，項目組提出了修改版的EDM模型并通過大量的試驗數據進行了驗證。精確地模擬超燃發(fā)動機內氣體與壁面的輻射換熱對發(fā)動機燃燒室內總的熱平衡和燃燒室壁面局部過熱分析至關重要，精確地模擬氣體輻射換熱需要采用精確的波譜模型，計算非常耗時，工程上不可行，項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算誤差能夠控制在10%以內。相關研究成果已經發(fā)表在國際國內的權威雜志上，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。項目執(zhí)行期間培養(yǎng)碩士研究生8名。 2100433B

書號 978-7-118-11639-7

作者 于達仁等

出版時間 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 280

字數 350

中圖分類 V235.21

叢書名 高超聲速科學與技術叢書

定價 128.00

內容簡介

本書以超燃沖壓發(fā)動機為研究對象，從發(fā)動機基本控制問題出發(fā)并結合已有飛行試驗經驗給出了一種超燃沖壓發(fā)動機基本控制方案，討論了發(fā)動機控制模型維數和反饋變量選擇原則并介紹了發(fā)動機推力閉環(huán)控制系統(tǒng)設計方法，探討了超燃沖壓發(fā)動機燃燒模態(tài)轉換特性及其轉換控制方法，介紹了高超聲速進氣道起動/ 不起動監(jiān)測方法及其穩(wěn)定裕度控制方法，同時給出了超燃沖壓發(fā)動機推力調節(jié)/ 進氣道保護切換控制方法，研究了超燃沖壓發(fā)動機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)動機的典型飛行試驗

1．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機控制研究現狀分析

1．2．1 飛行試驗中發(fā)動機控制現狀分析

1．2．2 進氣道不起動監(jiān)測及保護控制現狀分析

1．2．3 燃燒模態(tài)轉換控制現狀分析

1．2．4 吸氣式飛/推系統(tǒng)軌跡優(yōu)化研究現狀分析

1．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機推力控制問題分析

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

1．4．1 高超聲速進氣道不起動監(jiān)測

1．4．2 高超聲速進氣道不起動保護控制

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

1．5．1 燃燒模態(tài)轉換特性

1．5．2 燃燒模態(tài)轉換控制

1．6 沖壓發(fā)動機飛/推系統(tǒng)設計與控制面臨的主要問題

1．6．1 考慮飛/推系統(tǒng)強耦合特性的最優(yōu)軌跡問題

1．6．2 復雜熱力系統(tǒng)多變量多約束最優(yōu)控制問題

1．7 小結

參考文獻

第2章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機工作原理

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

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

2．2．1 發(fā)動機的熱力循環(huán)過程

2．2．2 發(fā)動機的能量轉換過程

2．2．3 性能指標

2．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機進氣道

2．3．1 進氣道性能參數

2．3．2 進氣道典型工作狀態(tài)

2．3．3 進氣道起動/不起動

2．4 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機燃燒室

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)動機尾噴管

2．6 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機工作過程的特殊性

2．6．1 強分布參數特性

2．6．2 多模態(tài)優(yōu)化選擇

2．7 小結

參考文獻

第3章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機控制問題分析和控制方案

3．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機控制問題分析

3．1．1 推力回路控制問題分析

3．1．2 進氣道不起動保護控制問題分析

3．1．3 超溫保護控制問題分析

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)動機控制方案

3．2．1 美國X-51A控制方案分析

3．2．2 推力調節(jié)/安全保護切換控制方案提出

3．2．3 控制回路組成及分析

3．3 小結

參考文獻

第4章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機控制模型

4．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機穩(wěn)態(tài)數學模型

4．1．1 數學模型的維數選擇

4．1．2 發(fā)動機一維模型

4．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機控制模型時間尺度分析

4．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機被控變量選擇

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

參考文獻

第5章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機推力閉環(huán)控制方法

5．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機推力表征

5．1．1 地面直連式試驗條件下的推力定義

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)動機推力閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

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計

5．3 控制系統(tǒng)魯棒性能分析

5．3．1 增益攝動時的魯棒性

5．3．2 動態(tài)攝動時的魯棒性

5．4 推力閉環(huán)控制地面試驗驗證

5．5 小結

參考文獻

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

6．1 燃燒模態(tài)轉換馬赫數的選擇準則

6．1．1 寬馬赫數范圍發(fā)動機性能分析

6．1．2 最大推力需求下的燃燒模態(tài)轉換馬赫數選擇

6．1．3 最大比沖需求下的燃燒模態(tài)轉換馬赫數選擇

6．2 燃燒模態(tài)轉換邊界及其影響因素分析

6．2．1 燃燒模態(tài)轉換邊界空間描述

6．2．2 模態(tài)轉換邊界影響因素分析

6．3 燃燒模態(tài)轉換中的突變與滯環(huán)問題

6．4 燃燒模態(tài)轉換過程分析

6．4．1 轉換路徑的影響

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)動機燃燒模態(tài)轉換控制

6．5．1 燃燒模態(tài)表征與監(jiān)測

6．5．2 燃燒模態(tài)轉換控制基本方案

6．5．3 控制方案仿真

6．6 小結

參考文獻

第7章 高超聲速進氣道不起動監(jiān)測方法研究

7．1 進氣道起動/不起動模式分類數據準備

7．1．1 進氣道物理模型

7．1．2 進氣道不起動數據組成及分析

7．2 基于支持向量機的高超聲速進氣道起動/不起動模式分類

7．2．1 支持向量機的基本理論和方法

7．2．2 基于支持向量機的特征選擇算法

7．2．3 基于支持向量機的進氣道起動/不起動特征選擇

7．2．4 進氣道起動/不起動分類結果及驗證分析

7．2．5 分類方法的對比分析

7．3 基于FLD分析的進氣道起動/不起動最優(yōu)分類準則研究

7．3．1 FLD相關的基本知識

7．3．2 進氣道起動/不起動最優(yōu)分類準則

7．3．3 分類準則的物理意義

7．3．4 分類準則中隔離帶的作用

7．4 多傳感器融合的進氣道起動/不起動分類方法研究

7．4．1 概率輸出支持向量機

7．4．2 多傳感器分組和融合

7．4．3 多傳感器融合結果分析

7．5 小結

參考文獻

第8章 高超聲速進氣道不起動邊界及穩(wěn)定裕度控制

8．1 高超聲速進氣道不起動邊界的無量綱分析

8．1．1 進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 進氣道壓縮壓比的無量綱表示

8．2 高超聲速進氣道穩(wěn)定裕度控制方法研究

8．2．1 高超聲速進氣道穩(wěn)定裕度的表示方法

8．2．2 高超聲速進氣道不起動控制策略分析

8．2．3 高超聲速進氣道等裕度增益調度控制

8．3 進氣道穩(wěn)定裕度控制閉環(huán)仿真驗證

8．4 小結

參考文獻

第9章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機推力調節(jié)/進氣道保護切換控制

9．1 基于Min規(guī)則的發(fā)動機推力調節(jié)/進氣道保護切換控制方法

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對切換過程的影響分析

9．1．3 基于Min規(guī)則發(fā)動機推力調節(jié)/進氣道保護切換控制地面試驗驗證

9．2 基于積分重置的發(fā)動機推力調節(jié)/進氣道保護無擾切換控制

9．2．1 切換邏輯及切換規(guī)則

9．2．2 切換邏輯半實物仿真及參數給定分析

9．2．3 發(fā)動機推力調節(jié)/進氣道保護切換控制地面試驗驗證

9．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機兩點燃油分配方案

9．3．1 兩點燃油噴射下的發(fā)動機特性仿真分析

9．3．2 兩點燃油噴射下的發(fā)動機地面試驗結果分析

9．3．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機兩點燃油分配方案評估

9．4 考慮兩點燃油噴射的發(fā)動機推力調節(jié)/進氣道安全保護控制

9．4．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機特性分析及建模

9．4．2 雙回路控制系統(tǒng)設計

9．4．3 控制系統(tǒng)數值仿真驗證

9．4．4 控制系統(tǒng)地面試驗驗證

9．5 小結

參考文獻

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 內型線與釋熱分布耦合最優(yōu)控制

10．5 小結

參考文獻

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)動機推進機理的飛/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系

11．3 沖壓發(fā)動機推進的飛/推系統(tǒng)加速段最小油耗軌跡

11．4 飛/推系統(tǒng)起飛質量對最小油耗軌跡的影響

11．5 飛/推系統(tǒng)性能指標對最優(yōu)軌跡的影響

11．5．1 最小油耗軌跡與最小時間軌跡

11．5．2 飛/推系統(tǒng)最優(yōu)軌跡實時效率分析

11．6 飛/推系統(tǒng)發(fā)動機性能對最優(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

參考文獻 2100433B

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

燃燒室都是由進氣裝置（擴壓器）、殼體、火焰筒、噴嘴和點火器等基本構件組成，根據主要構件結構形式的不同，燃燒室有分管(單管)、環(huán)管和環(huán)形三種基本類型 。