超燃沖壓發(fā)動機的熱力循環(huán)研究

1、超燃沖壓發(fā)動機的熱力循環(huán)研究超燃沖壓發(fā)動機的熱力循環(huán)研究 鮑鮑 文文 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學高超聲速技術研究中心高超聲速技術研究中心目錄目錄o超燃沖壓發(fā)動機循環(huán)和磁等離子化學發(fā)動超燃沖壓發(fā)動機循環(huán)和磁等離子化學發(fā)動機的提出機的提出o發(fā)動機壓縮系統(tǒng)的進化規(guī)律發(fā)動機壓縮系統(tǒng)的進化規(guī)律o能量旁路超燃沖壓發(fā)動機性能研究能量旁路超燃沖壓發(fā)動機性能研究o磁控進氣道特性研究磁控進氣道特性研究高超聲速技術發(fā)展歷史美國的高超研究進展超燃沖壓技術：2000-至今o美國空軍1995年開始HyTech/ HySet計劃，論證馬赫4-8碳氫燃料主動冷卻超燃沖壓發(fā)動機技術。據2007年5月3日報道，采用了HyTEC

2、H技術的燃料冷卻超燃沖壓發(fā)動機X-51A 預計于2008年晚些時候進行試飛并達到馬赫數6.5的速度。 o在2002年初，美國海軍發(fā)起HyFly計劃 ，2005年成功演示驗證了HyFly高超聲速打擊飛行器助推階段的性能，Ma6 雙燃燒室。俄羅斯的高超研究進展 “冷計劃冷計劃”(即即“Kholod”計劃）計劃） o60年代進行超燃沖壓發(fā)動機研究o“冷計劃”(即“Kholod”計劃)是對俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院(CIAM)和聯(lián)盟設計局聯(lián)合研制的軸對稱雙模態(tài)高超聲速沖壓發(fā)動機進行試驗。將參試發(fā)動機安裝在C-200(即SA-5)地空導彈的頭部（如圖），從地面發(fā)射，達到預定的試驗空域，然后高超聲速沖壓發(fā)

3、動機點火。 鷹鷹-2-1計劃計劃o1993年俄羅斯航天局制定年俄羅斯航天局制定“鷹鷹”計劃，目的是發(fā)計劃，目的是發(fā)展多次往返式航天運輸系統(tǒng)，為二十一世紀積累技展多次往返式航天運輸系統(tǒng)，為二十一世紀積累技術和經驗。術和經驗。年兩級航空航天系統(tǒng)年兩級航空航天系統(tǒng)“”，=6兩級開始分離，第一級渦輪沖兩級開始分離，第一級渦輪沖壓發(fā)動機，第二級采用傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動機。壓發(fā)動機，第二級采用傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動機。年后完成年后完成-2000o“鷹鷹-2-1”是是“鷹鷹”計劃中高超空天飛機及兩級航計劃中高超空天飛機及兩級航空航天系統(tǒng)部分。空航天系統(tǒng)部分。IGLA計劃計劃o研制第二代高超聲速試驗飛行器 ，飛行速度為

4、614馬赫，全長7.9m，翼展3.6m。氫燃料超燃沖壓發(fā)動機由3個模塊組成，總長1.9m，質量為200kg。IGLA飛行器已做了大量的地面試驗和風洞吹風試驗，但尚未進行飛行試驗。oIGLA計劃的主要目的在于驗證Ma10-14高超聲速沖壓發(fā)動機工作過程的性能；考核發(fā)動機和機體結構耐熱性；考察全動力和無動力高超聲速飛行動力學特性；該計劃將通過CFD、地面試驗、飛行試驗對比分析等手段進行。 -31 (GLL-31計劃計劃) o試驗氫氣和碳氫超燃沖壓發(fā)動機。飛行器的燃料（液氫）為300升。該發(fā)動機已經在中央航空發(fā)動機研究院的科學試驗中心試驗臺上完成了一系列地面試驗，該試驗臺可保證在地面條件下試驗大型的

5、沖壓式空氣噴氣發(fā)動機，速度可達7馬赫數或更高。專家認為，俄羅斯的沖壓式空氣噴氣發(fā)動機方案無論是所用材料和技術水準，都超過外國的方案。o-31的基本尺寸： 長度7米；起動重量3500公斤； 發(fā)動機工作時間30-60cek；起動速度M=2；高超音速范圍M=510；飛行高度2040公里。 第一部分第一部分超燃沖壓發(fā)動機循環(huán)和超燃沖壓發(fā)動機循環(huán)和磁等離子化學發(fā)動機的提出磁等離子化學發(fā)動機的提出1 高超音速沖壓發(fā)動機所面臨的問題高超音速沖壓發(fā)動機所面臨的問題o高超音速沖壓發(fā)動機具有高超音速沖壓發(fā)動機具有比沖高、飛行比沖高、飛行Ma數寬、推數寬、推重比高等特點，是大氣層重比高等特點，是大氣層內飛行的理想推

6、進系統(tǒng)。內飛行的理想推進系統(tǒng)。隨著高超音速沖壓發(fā)動機隨著高超音速沖壓發(fā)動機的運行范圍向高速區(qū)擴展，的運行范圍向高速區(qū)擴展，遇到了兩大問題：遇到了兩大問題：l熱力循環(huán)的冷源溫度逼近熱力循環(huán)的冷源溫度逼近熱源溫度導致熱效率難以熱源溫度導致熱效率難以提高提高 1.寬寬Ma數范圍內運行導致各數范圍內運行導致各部件參數協(xié)調困難部件參數協(xié)調困難1.2 磁等離子化學發(fā)動機磁等離子化學發(fā)動機（AJAX/）的發(fā)展）的發(fā)展o吸氣式高超音速推進系統(tǒng)是以空氣為工作介質的，它的性能與空氣吸氣式高超音速推進系統(tǒng)是以空氣為工作介質的，它的性能與空氣的氣動特性緊密相關。隨著推進系統(tǒng)速度的提高，發(fā)動機來流經過的氣動特性緊密相關

7、。隨著推進系統(tǒng)速度的提高，發(fā)動機來流經過進氣道中激波的壓縮后溫度已達到了空氣電離的水平。進氣道中激波的壓縮后溫度已達到了空氣電離的水平。o近年來，俄羅斯學者近年來，俄羅斯學者Valdimir Fraishtadt基于發(fā)動機部件的主基于發(fā)動機部件的主動熱保護思想提出：大氣中寬范圍內運行的高超音速推進系統(tǒng)應工動熱保護思想提出：大氣中寬范圍內運行的高超音速推進系統(tǒng)應工作于開環(huán)熱力學模式。從這一思路出發(fā)，俄羅斯學者結合高超推進作于開環(huán)熱力學模式。從這一思路出發(fā)，俄羅斯學者結合高超推進系統(tǒng)的特殊工作環(huán)境系統(tǒng)的特殊工作環(huán)境等離子體，提出了一種新型的高超推進系等離子體，提出了一種新型的高超推進系統(tǒng)統(tǒng)AJAX

8、（ ）發(fā)動機。）發(fā)動機。1.2 磁等離子化學發(fā)動機的發(fā)展磁等離子化學發(fā)動機的發(fā)展o磁流體發(fā)電通道和磁流體加速設備所構成的磁流體發(fā)電通道和磁流體加速設備所構成的能量旁路系統(tǒng)（繞過燃燒室）實現(xiàn)了推進系能量旁路系統(tǒng)（繞過燃燒室）實現(xiàn)了推進系統(tǒng)中統(tǒng)中“能量的再次分配能量的再次分配”，以及發(fā)動機能量，以及發(fā)動機能量與外界環(huán)境的交換。與外界環(huán)境的交換。1.2 磁等離子化學發(fā)動機磁等離子化學發(fā)動機（AJAX/）的發(fā)展）的發(fā)展o作為作為AJAX發(fā)動機的重要組成部件：發(fā)動機的重要組成部件：磁流體加速器，其在實驗中遇到了磁流體加速器，其在實驗中遇到了效率低、重量和體積大的問題，并效率低、重量和體積大的問題，并未達

9、到預期的的效果。具體分析表未達到預期的的效果。具體分析表明：在磁流體加速器的緊壁面處存明：在磁流體加速器的緊壁面處存在著哈特曼效應（在著哈特曼效應（Hartmann Effect）由于受到通道中粘性由于受到通道中粘性邊界層的影響，近壁面處的流體速邊界層的影響，近壁面處的流體速度很低，流體切割磁力線產生的反度很低，流體切割磁力線產生的反電動勢明顯小于中心流場，邊界層電動勢明顯小于中心流場，邊界層內的電流密度較大，發(fā)熱量大，溫內的電流密度較大，發(fā)熱量大，溫升高。這種現(xiàn)象亦稱為磁流體邊界升高。這種現(xiàn)象亦稱為磁流體邊界層電流短路。層電流短路。 1.2 磁等離子化學發(fā)動機的發(fā)展磁等離子化學發(fā)動機的發(fā)展o

10、哈特曼效應（邊界層電流短路現(xiàn)象）的存在使得影哈特曼效應（邊界層電流短路現(xiàn)象）的存在使得影響磁流體加速器推進效率的重要因素響磁流體加速器推進效率的重要因素管道損耗管道損耗不斷增加，降低了加速器的整體推進效率。不斷增加，降低了加速器的整體推進效率。o同樣的現(xiàn)象也發(fā)生在磁流體發(fā)電機中，但這種現(xiàn)象同樣的現(xiàn)象也發(fā)生在磁流體發(fā)電機中，但這種現(xiàn)象對磁流體發(fā)電機的性能并沒有明顯的影響，具體的對磁流體發(fā)電機的性能并沒有明顯的影響，具體的原因還處于探討之中。原因還處于探討之中。 oAVCO Evert實驗室進行了磁流體加速器的試驗實驗室進行了磁流體加速器的試驗研究。實驗得到的數據與理論值進行了比較，結果研究。實驗

11、得到的數據與理論值進行了比較，結果表明：在功率較低時，實驗數據與期望值大致相符。表明：在功率較低時，實驗數據與期望值大致相符。然而，在功率較高時，由于邊界層增加和焦耳熱的然而，在功率較高時，由于邊界層增加和焦耳熱的影響，結果遠遠低于期望值。影響，結果遠遠低于期望值。 1.3 MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)的提出聯(lián)合循環(huán)的提出o充分利用來流的等離子環(huán)境，借鑒充分利用來流的等離子環(huán)境，借鑒AJAX中的能量再分配思中的能量再分配思路，我們提出一種新型的高超推進新循環(huán)路，我們提出一種新型的高超推進新循環(huán)MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)。由磁流體發(fā)電通道和電弧加熱噴管構聯(lián)合循環(huán)。由磁流體發(fā)電通

12、道和電弧加熱噴管構成的能量旁路對氣流的能量進行重新的分配，以期改善發(fā)成的能量旁路對氣流的能量進行重新的分配，以期改善發(fā)動機燃燒室的性能，提高推進系統(tǒng)在更寬廣范圍內的運行動機燃燒室的性能，提高推進系統(tǒng)在更寬廣范圍內的運行性能，協(xié)調發(fā)動機部件間的匹配。性能，協(xié)調發(fā)動機部件間的匹配。 MHDgeneratordiffuserCombustionchamberArcreheatingnozzleEnergymanagementPre-ionizer123456171.3 MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)的提出聯(lián)合循環(huán)的提出o作為能量回注的另一種方式作為能量回注的另一種方式電弧加熱在空間電推進、地面

13、風電弧加熱在空間電推進、地面風洞和加熱爐中得到了廣泛的應用。電弧加熱有極高的電弧溫度洞和加熱爐中得到了廣泛的應用。電弧加熱有極高的電弧溫度(幾萬度幾萬度)，可有效的將能量加入到中心氣流中；而流場的邊緣，可有效的將能量加入到中心氣流中；而流場的邊緣溫度相對較低，有利于噴管冷卻；電弧加熱對氣流電導率的變溫度相對較低，有利于噴管冷卻；電弧加熱對氣流電導率的變化不敏感，布置位置靈活、體積小、重量輕、容易實現(xiàn)。化不敏感，布置位置靈活、體積小、重量輕、容易實現(xiàn)。o由磁控進氣道和電弧加熱噴管所組成的能量旁路系統(tǒng)對高速來由磁控進氣道和電弧加熱噴管所組成的能量旁路系統(tǒng)對高速來流的能量進行分配，實現(xiàn)對燃燒室入口處

14、流場的控制，從而滿流的能量進行分配，實現(xiàn)對燃燒室入口處流場的控制，從而滿足燃燒室入口處速度和燃燒室中加熱比（溫比）的要求。足燃燒室入口處速度和燃燒室中加熱比（溫比）的要求。 o為了進一步的提高發(fā)動機的循環(huán)效率和變工況適應性，在尾噴為了進一步的提高發(fā)動機的循環(huán)效率和變工況適應性，在尾噴管中采用從前到后布置多個電弧的方式注入能量。對于不同的管中采用從前到后布置多個電弧的方式注入能量。對于不同的來流來流Ma數和不同的磁控進氣道中能量取出率，選用不同位置處數和不同的磁控進氣道中能量取出率，選用不同位置處的電弧進行能量的回注。的電弧進行能量的回注。 2 MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)的方案聯(lián)合循環(huán)

15、的方案飛行器方案：飛行器方案： 乘波器乘波器方案、軸對稱方案方案、軸對稱方案 來流的電離方案：平來流的電離方案：平衡電離、非平衡電離衡電離、非平衡電離磁流體發(fā)電機方案磁流體發(fā)電機方案 ：連續(xù)電極型、霍爾型、連續(xù)電極型、霍爾型、分段法拉第型和斜聯(lián)分段法拉第型和斜聯(lián)式式 電弧能量注入方案電弧能量注入方案 運行控制方案運行控制方案 激 波電 離 器磁 流 體 發(fā) 電 機進 氣 道燃 燒 室尾 噴 管電 弧 加 熱勵 磁 控 制電 弧 控 制超 導 磁 場第二部分第二部分發(fā)動機壓縮系統(tǒng)的進化規(guī)律發(fā)動機壓縮系統(tǒng)的進化規(guī)律1.航空發(fā)動機的發(fā)展航空發(fā)動機的發(fā)展 o事實：事實：oMa=0.53 壓縮過程注入能

16、量壓縮過程注入能量 渦輪發(fā)動機渦輪發(fā)動機oMa=39 壓縮過程絕熱壓縮過程絕熱 沖壓發(fā)動機沖壓發(fā)動機oMa9 壓縮過程取出能量壓縮過程取出能量 帶有能量旁帶有能量旁路的沖壓發(fā)動機路的沖壓發(fā)動機問題問題o飛行速度為多少時，應該在發(fā)動機壓縮過程飛行速度為多少時，應該在發(fā)動機壓縮過程中注入、或取出能量；中注入、或取出能量；o在高超聲速區(qū)域內，是否必須采用帶有能量在高超聲速區(qū)域內，是否必須采用帶有能量旁路沖壓發(fā)動機的熱力循環(huán)結構；旁路沖壓發(fā)動機的熱力循環(huán)結構；o帶有能量旁路沖壓發(fā)動機（特殊的熱力循環(huán)帶有能量旁路沖壓發(fā)動機（特殊的熱力循環(huán)結構）的產生依據結構）的產生依據2.1 理論知識理論知識o理想理想

17、Brayton循環(huán)：循環(huán)：等熵壓縮等熵壓縮/膨脹、等壓膨脹、等壓加熱加熱/放熱。放熱。對應對應于于性能極限性能極限。101(1)(1)idpLC T020092vvLvvFidspspF90,vvidL為發(fā)動機單位推力；分別為發(fā)動機進、出口處速度；為理想熱力循環(huán)功 2.1 理論知識理論知識o總壓比總壓比 的影響：當的影響：當 時，循環(huán)熱效率等于時，循環(huán)熱效率等于零；當零；當 時，加熱量等于零，故循環(huán)功等于時，加熱量等于零，故循環(huán)功等于零；因此一定存在最優(yōu)值零；因此一定存在最優(yōu)值。o溫比溫比 的影響：增加溫比會提高循環(huán)功的影響：增加溫比會提高循環(huán)功 。物理。物理意義非常明顯，提高溫比意味著燃燒室

18、出口總溫增意義非常明顯，提高溫比意味著燃燒室出口總溫增加，加熱量增加，故提高循環(huán)功。加，加熱量增加，故提高循環(huán)功。 101(1)(1)kkidpkkLC T30tpp1max2(1)2(1)40()( )kkkktopTT 40tTTidL2.1 理論知識理論知識o絕能條件下（絕能條件下（），），過程損失導致熵增，總壓降低；過程損失導致熵增，總壓降低；o理想理想/等熵條件下（等熵條件下（），），外界注入能量能夠提高總壓；外界注入能量能夠提高總壓；反之向外界輸出能量降低總壓；反之向外界輸出能量降低總壓； ttpirrPdRTdCdslnln0tdTtirrPRddsln0irrdsttPRdTC

19、pdlnln由吉布斯方程，總溫、總壓的定義的推得，標志過程損失的熵增與過程總壓恢復系數、過程傳遞/轉化的能量之間的關系可表達為 o渦輪發(fā)動機的工作范圍下的情況渦輪發(fā)動機的工作范圍下的情況2.2 發(fā)動機的性能發(fā)展規(guī)律探討發(fā)動機的性能發(fā)展規(guī)律探討30,/1800034ppKTttCountryEngine typeApplication/KAircraft max(v0)/kmh-1Aircraft max(Ma0)USAF100-PW-220F-15321643-2.5F110-GE-100F-1629.930.41643-2F404-F1D2F117261643-0.92F404-GE-402

20、F/A-18261643-1.8F101-GE-102B-1B26.51643-1.25F110-GE-129-321728-Russia or USSRAL-31FSu-272316502430-RD-133MIG-292115362450-D-30F6MIG-312116603000-FranceM53-P2Mirage 20009.81533-2.2China PRCTaihang-301747-Taihang growth versions-1800-4tT2.2.1 渦輪發(fā)動機的性能渦輪發(fā)動機的性能/壓比需求壓比需求30,/1800034ppKTtt2.2.1 渦輪發(fā)動機的性能渦輪發(fā)

21、動機的性能/壓比需求壓比需求oMa=0.53下，要實現(xiàn)最優(yōu)壓比就需要額外的諸下，要實現(xiàn)最優(yōu)壓比就需要額外的諸如能量，來提高總壓比。如能量，來提高總壓比。o實現(xiàn)途徑：通過壓氣機向氣流做功實現(xiàn)途徑：通過壓氣機向氣流做功ttirrPRdTCpddslnln2.2.2 沖壓發(fā)動機的性能沖壓發(fā)動機的性能/壓比需求壓比需求o沖壓發(fā)動機的工作范圍下的情況沖壓發(fā)動機的工作范圍下的情況Data label /Pa /K149084.366.1152.263.897.0248960170152.273.6112.1348003.173.1152.256.485.8448003.176.0152.258.288.6

22、548003.176.0152.264.497.966.43968203.52369.030.6725.279.9634.398.6399058.973578.0810.2234.448.7494887.63766.3910.4606.848.7554468.44646.91013.1110.348.12718183.38869.91181574479844.36.5637.9121012002264290010.44497.60Ma0p0T00tpp30ttpp21030tpp2.2.2 沖壓發(fā)動機的性能沖壓發(fā)動機的性能/壓比需求壓比需求2.2.2 沖壓發(fā)動機的性能沖壓發(fā)動機的性能/壓比需求

23、壓比需求o在在Ma=39下，利用進氣道的激波壓縮能下，利用進氣道的激波壓縮能夠實現(xiàn)最優(yōu)壓比（范圍內）下的壓縮，在此夠實現(xiàn)最優(yōu)壓比（范圍內）下的壓縮，在此無需額外的能量交換。無需額外的能量交換。2.2 發(fā)動機的性能發(fā)展規(guī)律探討發(fā)動機的性能發(fā)展規(guī)律探討小結：小結：o根據溫比條件，對應于最優(yōu)性能下的最佳壓根據溫比條件，對應于最優(yōu)性能下的最佳壓比值；比值；oMa=0.53 下，利用額外的能量注入下，利用額外的能量注入/壓壓氣機設備，來實現(xiàn)渦輪發(fā)動機的壓比需求；氣機設備，來實現(xiàn)渦輪發(fā)動機的壓比需求；oMa=39下，利用激波壓縮下，利用激波壓縮/無需額外的無需額外的能量注入，即可實現(xiàn)沖壓發(fā)動機的壓比需求；

24、能量注入，即可實現(xiàn)沖壓發(fā)動機的壓比需求；o高高Ma（Ma9）下，情況如何呢？）下，情況如何呢？2.3 帶有能量旁路系統(tǒng)的沖壓發(fā)動機的帶有能量旁路系統(tǒng)的沖壓發(fā)動機的提出提出性能發(fā)展規(guī)律應用性能發(fā)展規(guī)律應用最優(yōu)增壓比 vs. Tt4在3000-5000K之間，最優(yōu)增壓比的范圍：300-900更高Ma下，利用激波壓縮所提供的增壓比將大大的超過當前技術工藝條件下所對應的最佳增壓比數值。怎么辦？o更高Ma工作范圍下的情況2. 帶有能量旁路系統(tǒng)的沖壓發(fā)動機的提帶有能量旁路系統(tǒng)的沖壓發(fā)動機的提出出性能發(fā)展規(guī)律應用性能發(fā)展規(guī)律應用o既然，低既然，低Ma下利用額外的能量注入下利用額外的能量注入/壓氣機設備，壓氣

25、機設備，來實現(xiàn)渦輪發(fā)動機的壓比需求；中來實現(xiàn)渦輪發(fā)動機的壓比需求；中Ma下，利用激下，利用激波壓縮波壓縮/無需額外的能量注入，即可實現(xiàn)沖壓發(fā)動無需額外的能量注入，即可實現(xiàn)沖壓發(fā)動機的壓比需求；機的壓比需求；o那么那么高高Ma下，就利用能量取出的辦法來降低增壓下，就利用能量取出的辦法來降低增壓比。比。問題的答案就是這么簡單問題的答案就是這么簡單。ttirrPRdTCpddslnln2.3 帶有能量旁路系統(tǒng)的沖壓發(fā)動機的帶有能量旁路系統(tǒng)的沖壓發(fā)動機的提出提出性能發(fā)展規(guī)律應用性能發(fā)展規(guī)律應用o小結小結第三部分第三部分能量旁路超燃沖壓發(fā)動機性能研究能量旁路超燃沖壓發(fā)動機性能研究1 MHD-Arc-Ra

26、mjet聯(lián)合循環(huán)的熱力聯(lián)合循環(huán)的熱力學模型學模型 熱力過程描述：各個過程曲線可以如下：熱力過程描述：各個過程曲線可以如下：(12)前體激波絕熱壓縮和流體減速前體激波絕熱壓縮和流體減速過程；過程；(23)進氣道內進氣道內MHD發(fā)電機將發(fā)電機將總焓轉化為電能和氣流減速過程；總焓轉化為電能和氣流減速過程；(34)燃燒室內定靜壓和無摩擦加熱過燃燒室內定靜壓和無摩擦加熱過程；程；(45)絕熱膨脹以防溫度超過材絕熱膨脹以防溫度超過材料限定溫度的過程；料限定溫度的過程； (56)電弧裝置電弧裝置將電能轉化為氣流焓并提高氣流溫度過將電能轉化為氣流焓并提高氣流溫度過程；程；(67) 絕熱膨脹以防溫度超過材絕熱膨

27、脹以防溫度超過材料限定溫度的過程；料限定溫度的過程；(78) 電弧裝置電弧裝置將電能轉化為氣流焓并提高氣流溫度過將電能轉化為氣流焓并提高氣流溫度過程；程；(810)尾噴管絕熱膨脹并加速排尾噴管絕熱膨脹并加速排出氣流過程。出氣流過程。 1.1 MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)的熱聯(lián)合循環(huán)的熱力學模型力學模型o熱力學第一定律考慮熱力學第一定律考慮此部分通過對熱力學第一定律的考慮，根據各過此部分通過對熱力學第一定律的考慮，根據各過程的能量守恒方程式求解各狀態(tài)點的滯止溫度。程的能量守恒方程式求解各狀態(tài)點的滯止溫度。o熱力學第二定律考慮熱力學第二定律考慮當流體通過發(fā)動機時，熵增和滯止壓力的減少將當流

28、體通過發(fā)動機時，熵增和滯止壓力的減少將不可避免。所以，對于每一個發(fā)動機過程真實氣不可避免。所以，對于每一個發(fā)動機過程真實氣動損失（或增加）可以通過滯止壓力比動損失（或增加）可以通過滯止壓力比 來表達。本次建模，對于發(fā)動機流體通道中來表達。本次建模，對于發(fā)動機流體通道中MHD裝置的參數裝置的參數 引入了一些新穎的考慮。引入了一些新穎的考慮。00/exitinPP1.1 MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)的熱聯(lián)合循環(huán)的熱力學模型力學模型o在進行了上述考慮之后，我們有足夠的信息來計在進行了上述考慮之后，我們有足夠的信息來計算含有氣動損失效應的發(fā)動機總推力。算含有氣動損失效應的發(fā)動機總推力。0621

29、111eeaaaaaekRTp ApFfMkRTmkmp 12112kkaapdgbeanepkMp 1.2 MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)部件聯(lián)合循環(huán)部件建模建模oMHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)是在沖壓發(fā)聯(lián)合循環(huán)是在沖壓發(fā)動機的基礎上添加了由磁控進氣道和電弧加動機的基礎上添加了由磁控進氣道和電弧加熱所組成的能量旁路所構成的。在此重點介熱所組成的能量旁路所構成的。在此重點介紹磁控進氣道中的物理現(xiàn)象，其他可參考一紹磁控進氣道中的物理現(xiàn)象，其他可參考一般沖壓發(fā)動機中的部件模型。其中電弧加熱般沖壓發(fā)動機中的部件模型。其中電弧加熱等效為燃燒室中的能量注入。等效為燃燒室中的能量注入。1.2

30、MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)部件聯(lián)合循環(huán)部件建模建模o磁流體動力學效應（電場和磁場對導電流體的作磁流體動力學效應（電場和磁場對導電流體的作用）包括兩個方面：用）包括兩個方面：由電磁體積力引起流體運動狀態(tài)的變化；由電磁體積力引起流體運動狀態(tài)的變化；與導電流體之間的能量交換；與導電流體之間的能量交換； 1.在普通流體力學方程組的動量方程積和能量方程在普通流體力學方程組的動量方程積和能量方程中引入這兩個源項，就構成了磁流體動力學的基中引入這兩個源項，就構成了磁流體動力學的基本方程組。本方程組。1.2 MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)部件聯(lián)合循環(huán)部件建模建模磁流體動力學的基本方程組匯總：磁

31、流體動力學的基本方程組匯總：o連續(xù)性方程：連續(xù)性方程：o運動方程：運動方程：o能量方程：能量方程： ()0vt213DvpJBvvdt 2222DDppvvhuJ Edtdtt 1.2 MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)部件聯(lián)合循環(huán)部件建模建模o麥克斯韋方程：麥克斯韋方程：(準靜態(tài)的電磁場準靜態(tài)的電磁場) o歐姆定律：歐姆定律：(準靜態(tài)的電磁場準靜態(tài)的電磁場)000eBJBBEtenE ()JEvB 1.2 MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)部件聯(lián)合循環(huán)部件建模建模o這樣一組非定常粘性的三維磁流動力學方程這樣一組非定常粘性的三維磁流動力學方程組，要求得解析解是十分困難的。在這里不組，要求得

32、解析解是十分困難的。在這里不但含有復雜的流體動力學方程，而且還加上但含有復雜的流體動力學方程，而且還加上了極復雜的電磁學方程。就目前已經掌握的了極復雜的電磁學方程。就目前已經掌握的數學分析知識來看，還不足以精確求解這樣數學分析知識來看，還不足以精確求解這樣的一組非線性的偏微分方程組。隨著當前計的一組非線性的偏微分方程組。隨著當前計算機技術的提高以及數值計算水平的提高，算機技術的提高以及數值計算水平的提高，在合理的物理模型基礎上求解磁流體方程組在合理的物理模型基礎上求解磁流體方程組已成為可能。已成為可能。 1.2 MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)部件聯(lián)合循環(huán)部件建模建模o為便于工程的實際計算

33、與分析，必須將方程組作適當的簡化。為便于工程的實際計算與分析，必須將方程組作適當的簡化。參考實際應用中磁流體發(fā)電分析與設計方法，對所建立的方程參考實際應用中磁流體發(fā)電分析與設計方法，對所建立的方程組進行簡化，得到能夠反映磁流體發(fā)電通道中參數變化規(guī)律的組進行簡化，得到能夠反映磁流體發(fā)電通道中參數變化規(guī)律的一維方程組一維方程組:RTpkkvBvTCdtdvkvBdtdpdtdvvconstvAp)1 ()2()1 (1122212 對此方程組進行簡化分析，可得到具有工程應用對此方程組進行簡化分析，可得到具有工程應用價值的解析解。價值的解析解。gkkgMkMkkkVVTTPPMkkkTT222211

34、23112323221123)1()1(2)1 (11)()1)(211 (11 (A=const2. MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)熱力特聯(lián)合循環(huán)熱力特性計算與分析性計算與分析l發(fā)動機性能計算發(fā)動機性能計算l發(fā)動機能量取出率特性分析發(fā)動機能量取出率特性分析l發(fā)動機熱效率分析發(fā)動機熱效率分析2.1.1 理想條件下發(fā)動機的性能計算理想條件下發(fā)動機的性能計算51015202500.20.40.60.8050010001500Ma Number(accelerator) Isp理想情況加速器模式的焓取出率、Ma、比沖Isp三維關系 51015202500.10.20.30.40.50.60.7

35、0.80.92004006008001e+0031.2e+0031.4e+0031.6e+003Ma Number 理想情況加速器模式的等比沖圖 2.1.1 理想條件下發(fā)動機的性能計算理想條件下發(fā)動機的性能計算23456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25020040060080010001200140016001800Ma NumberIsp取出焓增加取出焓00.92 3456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 250200400600800100012001400

36、16001800MaIsp理想情況加速器模式的焓取出率、Ma、比沖Isp截面 理想情況加速器模式的最優(yōu)比沖2.1.1 理想條件下發(fā)動機的性能計算理想條件下發(fā)動機的性能計算510152000.20.40.60.8050010001500Ma(Arc Heating) Isp理想情況電弧模式的焓取出率、Ma、比沖Isp三維關系 246810121416182000.10.20.30.40.50.60.70.80.92004006008001e+0031.2e+0031.4e+0031.6e+003Ma(Arc Heating) 理想情況電弧模式的等比沖線 2.1.1 理想條件下發(fā)動機的性能計算理想

37、條件下發(fā)動機的性能計算23456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25020040060080010001200140016001800Ma NumberIspIsp-Ma曲線取出焓增加234567891011 12 13 14 15 16 17 18 1920020040060080010001200140016001800Ma Number(Arc Heating)Isp增加理想情況電弧模式的焓取出率、Ma、比沖Isp截面 234567891011 12 13 14 15 16 17 18 192002004006008001

38、0001200140016001800Ma(Arc Heating)Isp理想情況電弧模式的最優(yōu)比沖 2.1.1 理想條件下發(fā)動機的性能計算理想條件下發(fā)動機的性能計算2345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200100200300400500600700800900Ma Isp加速器模式電弧模式246810121416182000.10.20.30.40.50.60.70.80.9Ma Number 加速器模式電弧模式2.1.1 理想條件下發(fā)動機的性能計算理想條件下發(fā)動機的性能計算o等離子化學發(fā)動機在等離子化學發(fā)動機在Ma10左右有很大的優(yōu)勢；左右有很大的優(yōu)

39、勢；MHD發(fā)電機的能量取出率隨著發(fā)電機的能量取出率隨著Ma數的增加在逐數的增加在逐漸增大；漸增大；MHD加速模式和電弧能量注入模式的比沖差別隨加速模式和電弧能量注入模式的比沖差別隨著著Ma數的增加而變大；數的增加而變大；Ma6時采用等離子化學發(fā)動機沒有好處；時采用等離子化學發(fā)動機沒有好處；Ma10階段發(fā)動機的比沖增加速度較快；階段發(fā)動機的比沖增加速度較快；在同一在同一Ma數下取得最大比沖時，電弧模式所需取數下取得最大比沖時，電弧模式所需取出的能量較出的能量較MHD加速器模式為小；加速器模式為?。?.1.2 實際循環(huán)發(fā)動機的性能計算實際循環(huán)發(fā)動機的性能計算 邊界層泄漏邊界層泄漏5，電弧效率，電弧

40、效率95 邊界層泄漏邊界層泄漏45，電弧效率，電弧效率952345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20020040060080010001200140016001800MaIsp加速器模式電弧加熱模式234567891011 12 13 14 15 16 17 18 1920020040060080010001200140016001800MaIsp電弧加熱模式加速器模式2.1.2 實際循環(huán)發(fā)動機的性能計算實際循環(huán)發(fā)動機的性能計算oMHD加速器模式有效比沖僅能維持到加速器模式有效比沖僅能維持到Ma12左右，左右，而電弧加熱模式能夠維持到而電弧加熱模式能夠維持

41、到Ma19左右；左右；在極為理想的假設，即認為在極為理想的假設，即認為MHD加速器模式的效加速器模式的效率與電弧效率相等時，其有效比沖的維持范圍僅比率與電弧效率相等時，其有效比沖的維持范圍僅比電弧模式大電弧模式大1個馬赫數，而這種假設在現(xiàn)有條件下個馬赫數，而這種假設在現(xiàn)有條件下是不可想象的；是不可想象的；考慮到尾噴管邊界層的溫度限制，由于加速器模式考慮到尾噴管邊界層的溫度限制，由于加速器模式的邊界層泄漏較大，其所受限制必然也較大，故加的邊界層泄漏較大，其所受限制必然也較大，故加速器模式的比沖下降也更快；速器模式的比沖下降也更快；2.2 能量取出率、磁感應參數的特性分析能量取出率、磁感應參數的特

42、性分析23456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25020040060080010001200140016001800Ma NumberIspIsp-Ma曲線取出焓增加234567891011 12 13 14 15 16 17 18 1920020040060080010001200140016001800Ma Number(Arc Heating)IspIsp-Ma曲線增加25262728293031323334350100200300400500600sigmaIspB增加B=101423456789 10 11 12 1

43、3 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25020040060080010001200140016001800Ma NumberIspIsp-Ma曲線取出焓增加234567891011 12 13 14 15 16 17 18 1920020040060080010001200140016001800Ma Number(Arc Heating)IspIsp-Ma曲線增加25262728293031323334350100200300400500600sigmaIspIsp-sigma曲線B增加1010.51111.51212.51313.5140100200300

44、400500600BIsp增加Ma=12時不同磁場強度下電導率與比沖的關系 Ma=12時不同電導率下磁場強度與比沖關系 2.2 能量取出率、磁感應參數的特性分析能量取出率、磁感應參數的特性分析2468101214161820050100150200250QMa Number246810121416182000.20.40.60.81每個馬赫數下，取得最大比沖時的磁感應參數和焓取出率對照圖 Ma12取得最大比沖時，電導率與磁場強度之間的耦合關系2.2 能量取出率、磁感應參數的特性分析能量取出率、磁感應參數的特性分析246810121416182000.511.522.5vMa Number246

45、81012141618200100200300400500246810121416182000.10.20.30.4vMa Number2468101214161820020406080B2時電導率隨馬赫數變化關系 B5時電導率隨馬赫數變化關系 2.2 能量取出率、磁感應參數的特性分析能量取出率、磁感應參數的特性分析246810121416182000.10.2vMa Number246810121416182002040246810121416182000.050.1vMa Number246810121416182001020B8時電導率隨馬赫數變化關系 B10時電導率隨馬赫數變化關系 2

46、.2 能量取出率、磁感應參數的特性分析能量取出率、磁感應參數的特性分析6810121416180.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.085Ma NumberetaNgetaNg-Ma曲線電導率為50S/m，磁場強度為2T時，不同馬赫數下的能量取出率（這種情況為目前能夠獲得的情況）6810121416180.180.20.220.240.260.280.30.320.34Ma NumberetaNgetaNg-Ma曲線電導率為50S/m，磁場強度為4T時，不同馬赫數下的能量取出率2.2 能量取出率、磁感應參數的特性分析能量取出率、磁感應參數的特性分析o取得最

47、優(yōu)比沖時的能量取出率隨馬赫數的增加而增加，并且增加取得最優(yōu)比沖時的能量取出率隨馬赫數的增加而增加，并且增加趨勢逐漸變緩；趨勢逐漸變緩；磁感應參數隨馬赫數的增加而增加，增加趨勢逐漸變緩；磁感應參數隨馬赫數的增加而增加，增加趨勢逐漸變緩；目前常用的電導率和磁場強調計算所得的能量取出率非常小，對目前常用的電導率和磁場強調計算所得的能量取出率非常小，對比沖的優(yōu)化作用很微弱；比沖的優(yōu)化作用很微弱；電導率隨著來流馬赫數的增加而增加；電導率隨著來流馬赫數的增加而增加；改變磁場強度對能量取出率的影響大于改變電導率對能量取出率改變磁場強度對能量取出率的影響大于改變電導率對能量取出率的影響，提高磁場強度能夠非常有

48、效地減小對電導率的要求；的影響，提高磁場強度能夠非常有效地減小對電導率的要求；目前能夠獲得的能量取出率范圍在目前能夠獲得的能量取出率范圍在Ma6-18間為間為0.05-0.085之之間；電導率不變的情況下，磁場強度的提高使得高能量取出成為間；電導率不變的情況下，磁場強度的提高使得高能量取出成為可能；可能；2.3 發(fā)動機熱效率分析發(fā)動機熱效率分析00.20.40.60.8510152000.20.40.60.81 Ma c馬赫數、焓取出率與熱效率的三維圖 00.10.20.30.40.50.60.70.824681012141618200.10.20.30.40.50.60.70.80.9 Ma

49、馬赫數和焓取出率影響下的等熱效率圖 2.3 發(fā)動機熱效率分析發(fā)動機熱效率分析00.10.20.30.40.50.60.70.8100200300400500600700800900 Isp00.10.20.30.40.50.60.70.800.10.20.30.40.50.60.70.8 cMa9時，焓取出率與比沖關系Ma9時，焓取出率與熱效率之間的關系 2.3 發(fā)動機熱效率分析發(fā)動機熱效率分析發(fā)動機的熱效率隨著所取得比沖的增加而增加；發(fā)動機的熱效率隨著所取得比沖的增加而增加；發(fā)動機的能量取出率并非越大越好，而是存在一個發(fā)動機的能量取出率并非越大越好，而是存在一個最佳能量取出率最佳能量取出率發(fā)

50、動機的最優(yōu)比沖以及對應熱效率隨著馬赫數的增發(fā)動機的最優(yōu)比沖以及對應熱效率隨著馬赫數的增加而減少；加而減少；為了獲得最佳的發(fā)動機效率和比沖，在不同的馬赫為了獲得最佳的發(fā)動機效率和比沖，在不同的馬赫數下需要有不同的能量取出率，并且在數下需要有不同的能量取出率，并且在Ma0.5，推力基本不再增加，推力基本不再增加2.3發(fā)動機的推力分析發(fā)動機的推力分析o能量取出率的影響能量取出率的影響 *11112112()(1)(1)1(1)2spppFC TTMC TMn 增加增加 有利于提高有利于提高n 增加增加 不利于提高不利于提高n 綜合可見，提高綜合可見，提高 ，發(fā)，發(fā)動機推力出現(xiàn)了先升后動機推力出現(xiàn)了先

51、升后降的趨勢降的趨勢 exTexexT2.3發(fā)動機的推力分析發(fā)動機的推力分析o電弧注入過程的最高溫度的影響電弧注入過程的最高溫度的影響 2.3發(fā)動機的推力分析發(fā)動機的推力分析o進氣道結構的影響進氣道結構的影響 1vex2M2T310mM2spF / ms-1 / / K/ Nskg-1Conventional Scramjet320015-2.172.69-16-1.903.00-323.45MHD-Arc-Ramjet3200150.022.172.691.95328.47120.083.041.861.99376.672.3發(fā)動機的推力分析發(fā)動機的推力分析oMHD-Arc-Ramjet聯(lián)合

52、循環(huán)發(fā)動機相對于傳統(tǒng)沖壓發(fā)動機，在改善發(fā)動聯(lián)合循環(huán)發(fā)動機相對于傳統(tǒng)沖壓發(fā)動機，在改善發(fā)動機在高速區(qū)內的性能，和擴展發(fā)動機的運行范圍方面具有明顯的優(yōu)勢。機在高速區(qū)內的性能，和擴展發(fā)動機的運行范圍方面具有明顯的優(yōu)勢。2.3發(fā)動機的推力分析發(fā)動機的推力分析o發(fā)動機推力優(yōu)勢的存在條件發(fā)動機推力優(yōu)勢的存在條件 n第一種描述：第一種描述：n第二種描述：第二種描述：則則00exspexF*11112112()(1)(1)1(1)()2spppingcanFC TTMC TM ()()()()ramjetincnramjetingcanenergy bypassenergy bypass ()()cramje

53、tgcaenergy bypass 2.5 多級電弧的推力極限分析多級電弧的推力極限分析 p理論分析表明：理論分析表明：n提高電弧的數目，有利于提高發(fā)動機的推力；提高電弧的數目，有利于提高發(fā)動機的推力；n當電弧數目趨于無窮大時，相當于存在無窮多級的當電弧數目趨于無窮大時，相當于存在無窮多級的電弧微元，每一級電弧微元均在最高溫度下實現(xiàn)無電弧微元，每一級電弧微元均在最高溫度下實現(xiàn)無窮小量的能量注入，其過程中溫度的變化量趨于零，窮小量的能量注入，其過程中溫度的變化量趨于零，發(fā)動機的推力存在極限值；發(fā)動機的推力存在極限值；n理想情況下理想情況下AJAX的磁流體加速通道中的能量轉換的磁流體加速通道中的能量轉換機理和電弧數目趨于無窮大時機理和電弧數目趨于無窮大時MHD-Arc-Ramjet聯(lián)合循環(huán)發(fā)動機中電弧注入過程的機理是相同的，聯(lián)合循環(huán)發(fā)動機中電弧注入過程的機理是相同的，故兩者的推力極限相等故兩者的推力極限相等limlim0limlim0kkkkkkTTT2.5 多級電弧的推力極限分析多級電弧的推力極限分析o算例分析表明：算例分析表明：n單位推力的增加量隨著電弧數目的增多而不斷減緩；從單位推力的增加量隨著電弧數目的增多而不斷減緩；從發(fā)動機性能增益的角度講，并不是電弧數目越多越好發(fā)動機性能增益的角度講，并不是電弧數目越