超燃沖壓發動機燃燒模態轉換及其控制方法研究.pdf

1、寬飛行馬赫數范圍內高性能工作是超燃沖壓發動機發展的必然需求。在飛行馬赫數較低時，超燃沖壓發動機工作在亞燃模態具有更高的比沖性能，但容易引起進氣道的不起動。隨著飛行馬赫數和飛行高度的不斷提高，發動機受到超溫和氣體離解損失的制約，此時工作在亞燃模態不再具有更好的性能，應采用超燃模態。因此，為滿足寬馬赫數條件下發動機存在的約束和對高性能的需求，超燃沖壓發動機需要在工作過程中實現燃燒模態轉換。本文面向超燃沖壓發動機燃燒模態轉換特性及其控制的相關

2、問題，開展了如下幾個方面的工作：
　　通過分析發現超燃沖壓發動機存在很強的分布參數特性和多模態特性，在進行循環性能分析時，原有的零維分析方法不再適用，從而提出對一維模型的需求。進一步建立了包含一維模型的超燃沖壓發動機熱力循環性能分析方法。給出了一維跨聲速反應流的基本控制方程，該方程包含了對發動機性能存在影響的眾多物理效應。采用變量代換的方法對一維跨聲速反應流控制方程進行了重構，消除了原方程存在的數學奇異性。針對重構后的控制方程，提

3、出了一種改進的迭代求解方法。通過跟已有的一維跨聲速流動求解方法對比分析發現，新提出的改進求解算法具有更廣的適用范圍、更好的求解穩定性和更高的求解精度。
　　單級燃料注入的超燃沖壓發動機由于受到循環的限制，無法發揮其推力輸出的潛力，從而揭示出多級燃料注入的必要性和重要性?；谠贌嵫h的分析方法，給出了一個分析多級燃料注入超燃沖壓發動機性能的參數化模型，研究了兩級燃料注入超燃沖壓發動機的燃燒模態特性。分析了燃燒室面積擴張比、燃料注入次

4、數以及面積擴張比分配對多級燃料注入超燃沖壓發動機性能的影響。發現增加燃燒室面積擴張比能夠有效提高發動機推力輸出能力，而不宜過多增加燃料注入點。
　　超燃沖壓發動機在飛行過程中需要在合適的馬赫數下進行燃燒模態轉換以實現整個飛行軌線內的性能最大化?；诖四康?，提出了基于超燃沖壓發動機循環性能和飛行任務的燃燒模態選擇策略。分析了帶有等直型燃燒室的超燃沖壓發動機在不同燃燒模態下的循環性能隨飛行馬赫數的變化情況。研究發現，針對加速型的飛行任

5、務，超燃沖壓發動機應該設計在飛行馬赫數6到7的范圍內某點進行燃燒模態轉換才能獲得最大的加速性能；針對巡航型飛行任務，超燃沖壓發動機應該在滿足推力需求的情況下，盡量工作在亞燃模態。
　　給出了超燃沖壓發動機在整個飛行軌線上的燃燒模態轉換邊界的空間描述方式。研究了幾何構型、釋熱分布、壁面溫度、壁面摩擦及來流組分等因素對燃燒模態轉換邊界的影響。這些影響規律可以為發動機設計和燃燒模態轉換控制方案設計提供理論依據。通過對突變和滯環特性的分析

6、，基于突變理論，給出了燃燒模態轉換突變和滯環特性的兩種形成物理機制：燃燒釋熱不穩定性和流動分離不穩定性，并通過一維模型進行了驗證。分析了噴嘴切換帶來的燃料不連續對發動機性能的影響。
　　通過對燃燒模態轉換過程的詳細分析，揭示出燃燒模態轉換控制的本質是保護控制，即保護發動機平穩實現燃燒模態轉換，防止發動機因燃燒模態轉換引起的推力突變和滯環問題而出現失穩。根據發動機燃燒模態轉換過程中突變和滯環特性的不同，給出了相應的燃燒模態轉換控制基