第 1章 绪 论
由于超燃冲压发动机具有巨大的军事和民用价值，自 1958 年9月在西班牙马德里举行的第一届国际航空科技大会上 Ferri 公布了在布鲁克林理工学院成的马赫3.0 条件下的超声速燃烧以来，超燃冲压发动机受到了世界各国的重视，其中美国，俄罗斯最早掀起了对其研究的热潮[3]。美国从20世纪60年代中期就开始了超燃冲压发动机的研制工作[4]，自 80 年代中期以来，他们相继启动以超燃冲压发动机为动力的国家空天飞机计划和 HyperX 计划。2004 年 NASA 成功进行了两次氢燃料超燃冲压发动机的飞行试验，标志 HyperX 计划完成。2010 年 5 月 26 日，美国空军再次成功完成了代号为X-51A（如图 1-2）的飞行试验，与6 年前的飞行试验不同处在于，这次飞行试验的超燃冲压发动机使用了碳氢燃料，发动机配备了更为先进的冷却系统。俄罗斯于20世纪 40年代末50 年代初开始关注超声速条件下的燃烧问题，并于1966年开始了超燃冲压发动机的初期工作。俄罗斯于1991年首次成功进行了超声速飞行试验，并且验证了亚声、超声两种飞行马赫数条件下模态转换技术，1998年成功进行了马赫6.5 的飞行试验，试验实现了马赫数 3.5～6.5间亚声速燃烧到超声速燃烧的双模态燃烧转换[5-6][5][6]。
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第2章 流场及结构优化方法的研究
2.1 引言
本章以美国GDE-1 发动机作为研究模型[97]，基于对存在特殊冷却结构的冷却通道内流场的三维数值模拟，从优化流场结构从而达到合理利用燃料热沉的角度对局部特殊冷却结构进行改进，并分析了大温区变化范围内燃料物性剧烈变化对流场产生的影响，最后共性的提出了特殊冷却结构的合理布置位置。由于商用软件在计算超临界碳氢燃料裂解反应流场时存在物性处理方法、计算稳定性等制约因素，在本章仅讨论了无裂解反应流场中燃料物性随温度变化后，流场的改变对燃料热沉带来的影响。在后续章节中，将建立相应模型，对裂解反应流场中的流动裂解耦合关系对燃料化学热沉释放的影响进行详细的分析。
2.2 数值计算平台及数值计算方法
本章以燃烧室壁面其中一段冷却平板作为研究对象，冷却平板中通道的尺寸如图 2-1 所示。为安装点火或燃料喷射器等装置通常会将平板中间部分通道截断后，在平板内形成如图2-2中特殊形式的冷却结构。燃料从上游通道内流出并汇流后绕流该结构，然后被分配到下游通道内。本文将以此冷却平板中所具有的典型特殊结构作为物理模型，讨论该类特殊结构对于冷却平板流场的影响，结合流场分析结果对其进行改进，同时分析由于超临界条件下的燃料在不同工作温区时巨大的物性差异对特殊结构周围流场带来的影响，从而讨论特殊结构在冷却平板中最佳的布置方案。
第3章 超临界碳氢燃料流动裂解耦合特性分析 ............................. 37
3.1 引言 ...................... 37
3.2 超临界碳氢燃料流动裂解耦合一维计算模型 ................. 38
第4章 超临界低速化学反应流场数值模拟方法 ................................ 67
4.1 引言 ............................ 67
4.2 控制方程 ...................................... 68
第5章 多时间尺度流动裂解二维耦合分析 .............................. 99
5.1 引言 .................................... 99
5.2 二维模型验证 ......................................... 99
5.3 二维流场耦合特征分析 ............................... 104
5.4 耦合作用机理及影响因素分析 ..................................... 108
5.5 本章总结 .................121
第5章 多时间尺度流动裂解二维耦合分析
5.1 引言
针对以上径向流动裂解耦合效应，本章在对二维计算模型进行更深入的可靠性验证后，基于其仿真结果深入分析径向传热传质对流动与裂解耦合关系的影响，根据沿流向不同截面处的径向 Da数分布特点进行区域划分，讨论每个区域内耦合关系及热沉释放特性，从而深化对流动与裂解耦合效应的认识。最后通过讨论不同影响因素下Da数和化学热沉的分布特点，将基于Da数的热沉控制方法进一步扩展到多维流场中。
5.2 二维模型验证
计算过程中的离散误差受到离散格式的截断误差和网格数的影响。在相同截断误差条件下，网格越密，离散误差越小[131]。但受到计算资源以及计算机舍入误差的影响，网格数不能无限量的增加，因此在实际的数值计算过程中需要对网格数进行无关性验证，找到在允许误差范围内不对数值解产生影响的网格细密程度，从而合理安排后续分析过程中算例的网格数。 本文基于Gambit 生成计算网格。本节以碳氢燃料在管道内的对流换热过程算例验证网格无关性。鉴于垂直流向方向边界层内的物理量梯度较大，同时本文采用的TNT 形式k??模型中没有包含壁面函数，所以壁面附近第一层网格高度对计算结果的影响很大，在计算过程中必须对壁面附近网格进行加密处理。图5-2分别为对壁面附近第一层网格不同加密程度的四组网格：Mesh1，Mesh2，Mesh3，Mesh4，对应第一网格高度分别为：1μm，2μm，4μm，8μm。由于沿流向，各物理量梯度很小，在计算中网格较稀，分别对应网格宽度为：0.1mm，0.15mm，0.2mm，0.25mm。
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结论
本文以高超声速飞行器及动力装置超燃冲压发动机为研究背景，以超临界碳氢燃料在管道内的流动过程与裂解过程耦合效应为研究对象，建立了超临界碳氢燃料流动裂解耦合一维及二维计算模型。在结合实验及商用计算平台对模型进行可靠性验证的基础上，基于计算模型，针对流动裂解耦合效应对燃料热沉的影响，化学反应流场传热传质机理分析，冷却通道内局部特殊冷却结构流场优化等方面开展了研究工作，获得了以下研究成果和结论：
(1) 碳氢燃料绕流具有局部阻塞性质的特殊冷却结构时，在其下游由于沿流向形成逆压力梯度，因此随着逆压梯度的增大，下游区域壁面附近边界层容易发生分离，进而形成局部流动死区。
(2) 在超临界压力下，燃料密度随温度的升高急剧减小，通道内燃料流动惯性力增大，因此在半喷管形式的特殊冷却结构下游壁面附近，其流场容易发生分离，从而形成局部流动死区。
(3) 超燃冲压发动机冷却平板工作温区跨跃较大，因此超临界压力条件下的碳氢燃料物性随温度将发生剧烈变化，从而局部特殊结构在不同温区会对燃料流动及流量分配情况带来较大影响。在不考虑裂解的条件下，当特殊结构被安排在亚临界温区时，特殊结构下游形成流动死区的可能性更小，同时下游通道燃油流量分配更为均匀。
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参考文献（略）