旋转爆震发动机燃烧与传热特性研究

旋转爆震发动机(RDE)作为一种新型动力装置,具有结构简单、燃烧效率高、工作频率高等众多优点,但工作涉及到十分复杂的流动、燃烧以及传热过程。在此背景下,本文以气相旋转爆震发动机为研究对象,以氢气/空气作为反应物,展开了旋转爆震发动机燃烧和传热特性研究。本文建立了三维预混喷注发动机模型,采用多步基元反应对RDE内流场进行数值模拟计算,分析了旋转爆震发动机燃烧室内的流场结构。在此基础上,分析了当量比和喷注压力对RDE内流场的影响。结果表明:在本文给定的当量比范围内,爆震波的传播速度随当量比的提高而增大,爆震波高度变化较小。喷注总压对旋转爆震发动机燃烧室内流场参数有着重要影响,喷注总压在0.25 MPa-0.6 MPa内范围内变化时,爆震波高度变化显著,随喷注总压升高呈先增大后减小的趋势;爆震波的传播速度、平均峰值压力、平均峰值温度等参数都随喷注压力的提高而增大。为获得燃气温度、壁面温度及热通量分布情况,以现有旋转爆震发动机实验系统为基础,结合热电偶、红外热成像仪等相关测量设备,对旋转爆震发动机相关的传热特性展开研究。实验结果表明在当量比一定的条件下,燃气温度沿轴向方向呈逐渐降低的趋势,而燃烧室壁面温度先升高后减小。对于同一个测量点,燃气温度和壁面温度均随当量比的提高而升高。在发动机工作过程中,爆震波高度位于燃烧室头部,导致燃烧室头部的壁面温度上升速度明显高于尾部位置,燃烧室壁面沿轴向存在温度梯度,并由头部向尾部传热。在文中所列工况范围内,发动机工作结束时刻的燃烧室壁面平均热通量随当量比升高而略微增大,对给定当量比,燃烧室壁面热通量沿轴向方向逐渐减小。对旋转爆震发动机燃烧室内、外壁面的热通量分布情况进了数值研究。结果表明:燃烧室外壁面的热通量要高于内壁面热通量,燃烧室壁面热通量沿轴向呈现先升高再下降的规律,在旋转爆震波与斜激波交汇点达到极大值。在旋转爆震波高度外,数值模拟获得的壁面热通量沿轴向的变化规律与实验结果一致;但在旋转爆震波高度内,由于实验测量的空间分辨率限制,数值模拟获得的壁面热通量沿轴向的变化规律与实验结果存在差异。针对旋转爆震发动机燃烧室的传热特点以及热通量分布特点,设计了三种不同冷却方案并进行了相关的数值模拟计算。对三种冷却方案的优点以及存在的缺陷等进了相分析,经过对冷却效果、经济性以及可加工型的综合考虑选取较优的冷却方案。