超声速燃烧室后掠支板气动设计及特性研究.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

当前，超声速燃烧室中主要采用两种稳燃方法，即支板稳燃和凹腔稳燃。

当高超声速飞行器飞行马赫数过大时，采用支板稳燃的方法会存在以下两个问

题，一是支板直接侵入到高声速来流中，较大的气动阻力使得发动机的净推力

降低，二是高声速气流在支板前缘滞止导致支板前缘热流密度过高易被烧蚀。

有研究表明当支板后掠角度超过60°时，支板的阻力和热流密度会急剧降低，

这就为高马赫数下解决支板存在的问题提供了思路。但现阶段针对后掠支板大

多停留在气动研究阶段，很难推进其进一步应用。因此，本文基于数值模拟的

方法开展了超声速燃烧室后掠支板气动设计及特性研究，主要研究内容如下：

基于数值模拟对来流马赫6工况下不同后掠角支板超声速燃烧室的气动特

性进行了研究。对宽速域来流工况下后掠支板的压阻特性及性能进行了评估，

进一步对超声速前缘后掠支板的压阻系数进行了理论推导及修正，为了对修正

公式进行补充，训练了一套神经网络模型对后掠支板压阻系数进行预测，从而

在宽速域来流工况下形成一套较为完整的后掠支板压阻设计理论及模型。研究

表明当支板后掠角小于45°时，增大支板后掠角并不能起到减小压阻的作用；

当后掠角大于45°小于60°时，增大支板后掠角可以在燃烧室入口马赫数1.8至

3.0速域范围内实现减小压阻的作用，当后掠角大于60°时，增大支板后掠角可

以在燃烧室入口马赫数1.8至5.0宽速域范围内实现减小压阻的作用；修正后

的理论公式及神经网络模型对于宽速域下后掠支板压阻系数的计算及预测具有

较高精度。

基于数值模拟对来流马赫6工况下75°后掠支板燃烧室的掺混特性开展了

研究，通过与直支板燃烧室进行对比，发现后掠支板燃烧室内存在燃油流线偏

转的现象，进一步对燃油流线偏转机理进行了分析，为了解决燃油在燃烧室壁

面富集进而导致局部富燃整体燃烧性能差的问题，从支板构型及支板喷孔燃油

当量比分配两个角度开展了燃油偏转调控研究。研究表明，75°后掠支板燃烧室

内燃油偏转主要是由于反转涡对对支板尾部燃油向上的输运作用，以及波系的

反射及相交导致燃油流动方向发生改变造成的。此外，燃油在燃烧室上下壁面

边界层内的进一步扩散造成了燃油分布不均匀性的提高。从支板构型角度，当

尾缘后掠角β=36.21°，支板高度h=35mm，尾缘台阶数n=4，尾缘台阶角度φ105°

时燃烧室燃油均匀性分布最好。从支板喷孔当量比分配角度，通过增加燃烧室

上方的燃油喷注量以保证燃油在燃烧室高度方向上不断层，通过减小支板底部

-I-

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燃油喷注量降低燃油向燃烧室下壁面的偏转及扩散的程度，可以同时提高燃油

整体分布均匀性及掺混性能。

基于数值模拟对来流马赫6工况下75°后掠支板燃烧室的燃烧特性开展了

研究并对其性能进行了评估，进一步通过对多种支板/壁面组合喷注方案的对比，

对燃油当量比0.6及燃油当量比0.9两种工况下的燃烧组织方案进行了研究。

结果表明，在单支板喷注时，相较于直支板燃烧室，由于75°后掠支板燃烧室内

燃油主要分布于燃烧室上下壁面低速的边界层附近，燃油扩散及燃烧过程更加

充分，因此后掠支板燃烧室的燃烧性能更好。组合喷注相较于单支板喷注更有

利于提高75°后掠支板燃烧室的燃烧性能，当燃油当量比为0.6时，采用支板当

量比0.3，壁面2当量比0.3的组合喷注方案燃烧效率最大；当燃油当量比为

0.9时，采用支板当量比0.6，壁面2当量比0.3的组合喷注方案燃烧效率最大。

关键词：超声速燃烧室；后掠支板；压阻特性；燃油偏转调控；组合喷注

-II-

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Abstract

Twocombustionstabilizationmethodsaremainlyusedinsupersoniccombustorn