冲压发动机-第一章

冲压发动机原理及技术第二章：冲压发动机的气体动力学基础,冲压发动机原理及技术第二章,2,Chap2：冲压发动机的气体动力学基础,课程内容2.1气体动力学函数2.2激波与膨胀波2.3真实气体效应2.4一维气体动力学2.5计算流体力学(CFD)在冲压发动机研究中的应用2.5.1单一气体模型2.5.2多组分化学动力学模型2.5.3湍流燃烧与两相燃烧2.5.4时间推进与空间推进解法,冲压发动机原理及技术第二章,3,2.1气体动力学函数,总温函数当高超声速飞行器在30km高空以马赫6飞行，静温T=226.5K，总温为1857K。,冲压发动机原理及技术第二章,4,2.1气体动力学函数,总压函数当高超声速飞行器在30km高空以马赫6飞行，静压p=1197Pa，总压为1.89MPa。,冲压发动机原理及技术第二章,5,2.1气体动力学函数,总密度函数,冲压发动机原理及技术第二章,6,2.1气体动力学函数,流量函数无量纲密流流量公式,冲压发动机原理及技术第二章,7,2.1气体动力学函数,气流冲量推力的来源,冲量函数,冲压发动机原理及技术第二章,8,2.2激波与膨胀波,激波，Shock，在超声速气流中出现的突跃的压缩波，是数学上的“间断”。正激波，Normalshock斜激波，Obliqueshock曲线（曲面）激波，Bowshock,冲压发动机原理及技术第二章,9,2.2激波与膨胀波,激波的关系式Rankin-Hugonoit，一组波前、波后温度、密度、压力的关系式。Prandtl斜激波，法向沿用正激波关系式,冲压发动机原理及技术第二章,10,2.2激波与膨胀波,激波前后马赫数关系曲线对应正激波,冲压发动机原理及技术第二章,11,2.2激波与膨胀波,激波损失为总压恢复系数曲线对应正激波,冲压发动机原理及技术第二章,12,2.2激波与膨胀波,圆锥激波,冲压发动机原理及技术第二章,13,2.2激波与膨胀波,圆锥激波,冲压发动机原理及技术第二章,14,2.2激波与膨胀波,波阻,p,1,2,p,p,冲压发动机原理及技术第二章,15,2.2激波与膨胀波,膨胀波，Expansionwave，强调密度变化时也叫稀疏波。,冲压发动机原理及技术第二章,16,2.2激波与膨胀波,Prandtl-Mayer函数(Ma)，气流从声速膨胀加速到Ma(1)所需折转角。,冲压发动机原理及技术第二章,17,2.2激波与膨胀波,Prandtl-Mayer流动,冲压发动机原理及技术第二章,18,2.2激波与膨胀波,利用激波和膨胀波系的高超声速进气道设计,冲压发动机原理及技术第二章,19,2.3真实气体效应,高超声速流动特点,冲压发动机原理及技术第二章,20,2.3真实气体效应,完全气体（理想气体，perfectgas），不考虑气体分子体积和分子间作用力，满足状态方程的气体。量热完全气体，Caloricallyperfectgas。在一定温度条件下，分子只有平动和转动，此时比热和比热比为常值，不随温度变化。热完全气体，Thermallyperfectgas。在一定温度条件下，分子振动能被激发，比热不再是常数，但仍满足状态方程。,冲压发动机原理及技术第二章,21,2.3真实气体效应,真实气体高压真实气体。需要考虑分子间的内聚力和分子本身的体积，如范德瓦耳斯气体。高温真实气体。需要考虑分子的离解、电离和其它化学反应，气体成为多元混合气体。,冲压发动机原理及技术第二章,22,2.3真实气体效应,以同温层空气为例,冲压发动机原理及技术第二章,23,2.3真实气体效应,研究高温气体动力学问题，应当考虑其中的真实气体效应。比如，考虑比热比随温度的变化。,冲压发动机原理及技术第二章,24,2.3真实气体效应,如果再考虑压力对比热比的影响，则关系更为复杂。,不同温度和压力下的空气比热比,冲压发动机原理及技术第二章,25,2.3真实气体效应,高温下空气输运性质的变化,冲压发动机原理及技术第二章,26,2.3真实气体效应,热完全气体,冲压发动机原理及技术第二章,27,2.3真实气体效应,热完全气体,量热完全气体热完全气体,量热完全气体热完全气体,冲压发动机原理及技术第二章,28,2.3真实气体效应,高超声速圆柱绕流,(a)流场温度等值线(b)壁面密度分布(c)壁面压力分布,A：热完全气体；B：量热完全气体,冲压发动机原理及技术第二章,29,2.3真实气体效应,真实气体效应会严重影响超高速飞行器的飞行动力学特性。航天飞机Apollo飞船,冲压发动机原理及技术第二章,30,2.3真实气体效应,单组分与多组分气体模型计算高超声速飞行器外流：50km，Ma10,冲压发动机原理及技术第二章,31,2.4一维气体动力学,基本假设：气体为完全气体流动为定常流动考虑喷入的燃料质量流率考虑壁面摩擦考虑燃烧释热考虑通道面积变化,冲压发动机原理及技术第二章,32,2.4一维气体动力学,速度马赫数关系,连续方程,状态方程,冲压发动机原理及技术第二章,33,2.4一维气体动力学,总温方程,总压方程,冲压发动机原理及技术第二章,34,2.4一维气体动力学,动量方程,其中：yi是燃料在主流流动方向上的分速度与气流流速之比，Cf是摩擦系数，Sw是湿表面面积。,冲压发动机原理及技术第二章,35,2.4一维气体动力学,能量方程：,冲量方程,冲压发动机原理及技术第二章,36,2.4一维气体动力学,写成矩阵形式,式中：,冲压发动机原理及技术第二章,37,2.4一维气体动力学,A的逆矩阵是：,冲压发动机原理及技术第二章,38,2.4一维气体动力学,求解：,可得：dp，dT，d，等，数值积分可得流场各参数。,但为了提高积分的精度，经常采用Runge-Kutta法等进行积分。,冲压发动机原理及技术第二章,39,2.4一维气体动力学,一直从燃烧室进口迭代到出口，得到燃烧室的压力分布。采用上述方法，加热量及加热方式的给定是至关重要的，而这本身也是最难以确定的。在应用中，有采用简单的线性加热规律、概率函数加热规律等，都存在一定的不确定性。,冲压发动机原理及技术第二章,40,2.4一维气体动力学,瑞利分布的加热规律,x=,冲压发动机原理及技术第二章,41,2.4一维气体动力学,采用瑞利分布的加热规律某双点喷射超燃燃烧室内的流场参数,冲压发动机原理及技术第二章,42,2.4一维气体动力学,上述方法还有一个问题是，A-1中在分母项包含有“1-Ma2”，在声速点附近存在奇点，不能计算跨声速！,冲压发动机原理及技术第二章,43,2.4一维气体动力学,在双模态超燃冲压发动机中，这样的问