冲压发动机工作过程数值仿真与实验研究(2)
当前, 对常规炮弹增程的主要途径有：弹形优化减阻、弹底排气减阻、助推火箭发动机增程、底排和火箭发动机复合增程、滑翔增程、冲压发动机增程等，具体增程率如下表1.1所示。由表可见，采用冲压发动机对常规弹药进行增程的效果非常明显[2，3]。
表1.1 炮弹增程途径及增程率
增程方式 增程率（%）
弹形优化减阻 15～25
火箭发动机增程 20～40
底排增程 20～40
底排和火箭发动机复合增程 40～50
滑翔增程 60～70
冲压发动机增程 大于70
固体燃料冲压发动机（Solid Fuel Ramjet，SFRJ）主要由进气道、中心锥、点火器、固体燃料、掺混板、补燃室和喷管组成，如图1.1所示。其工作原理是导弹或者炮弹发射后，弹体在空中高速飞行过程中，迎面高速空气会进入进气道并减速增压，提高燃烧室的压强，而且空气中的氧气会和贫氧固体推进剂发生燃烧反应，燃烧产生的燃气通过拉瓦尔喷管高速喷出产生推力。由于SFRJ不需要携带氧化剂，其比冲可达9 000m/s～10 000m/s，是固体火箭发动机的3～4倍。另外，SFRJ也具有结构简单、工作可靠、高速飞行性能好、安全性高等优点 [4，5]。
图1.1 SFRJ结构示意图
SFRJ的工作过程是一系列的复杂的物理化学作用高度耦合的过程，而且，固体燃料的燃烧过程和燃气的流动过程之间的耦合作用也是SFRJ研究的难点之一。一方面，SFRJ中的固体燃料的燃速会受到来流条件和SFRJ结构尺寸的影响，且控制难度很大，其中燃速是影响SFRJ性能的关键因素；另一方面，许多SFRJ实际工程中的关键技术没有完全解决。因此，SFRJ在实际工程中较少应用。那么，得到SFRJ结构尺寸对燃速的影响规律对SFRJ的研究和设计优化有着重要的影响。
1.2 国内外的研究发展现状
1.3 本文主要研究工作
本文主要运用流体计算软件FLUENT及其UDF的二次开发功能，通过建立合理的SFRJ计算物理数学模型，对固体燃料冲压发动机的工作过程进行研究分析，为今后更加深入地对SFRJ工作性能的综合研究奠定理论基础。本文主要分为五章，下面是各部分的主要研究工作：
第一章简要介绍本课题的研究背景和意义，并对国内外SFRJ的研究的现状进行概述，包括工程应用、数值仿真和实验研究的发展现状，对我的具体工作内容和思路进行简要介绍。
第二章提出SFRJ数值仿真的物理数学模型，阐述了SFRJ的工作过程和固体燃料PE的物理化学特性，根据SFRJ的流动和燃烧特性对发动机内流场进行合理的简化假设，介绍了FLUENT软件应用的湍流流动模型和湍流燃烧模型，对SFRJ内流场进行合理边界条件设定和初始化处理，根据SFRJ工作过程中加质和加热方程编译UDF程序，并结合国外SFRJ的实验结果，应用本文提出的物理数学模型对相应结构尺寸的SFRJ进行数值仿真，验证了该模型的合理性。
第三章对SFRJ的工作过程进行数值仿真研究，主要对二文轴对称的仿真物理模型进行合理的网格划分，应用本文提出的物理数学模型对所设定的不同工况进行数值仿真，并对仿真结果进行分析。
第四章对SFRJ的工作过程进行实验研究，简要介绍直连式SFRJ实验装置和实验过程，对所设定的各个工况进行点火实验，采集相应的实验数据，与第三章的仿真结果进行对比分析。
第五章对本文具体研究工作进行总结，并结合自身的经历，展望下一阶段的主要研究方向。