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超燃冲压发动机燃烧室内对流与辐射加热基于OpenFOAM的数值模拟
摘要：
本文基于OpenFOAM，对超燃冲压发动机燃烧室内对流与辐射加热进行了数值模拟研究。采用高精度求解器处理对流和辐射传热机理，对超燃冲压发动机燃烧过程中的内部气体流动、温度分布进行了详细分析。通过研究发现，超燃冲压发动机燃烧室内部的气流流速、温度分布、湍流强度等参数对发动机性能有着重要影响，为发动机的设计和优化提供了理论基础和实验依据。
关键词：超燃冲压发动机，燃烧室，对流传热，辐射传热，数值模拟
Abstract:
BasedonOpenFOAM,thispaperstudiestheconvectionandradiationheatinginsidethecombustionchamberofahypervelocityscramjetenginebynumericalsimulation.Ahigh-precisionsolverisusedtohandletheconvectionandradiationheattransfermechanisms,andadetailedanalysisoftheinternalgasflowandtemperaturedistributionduringthecombustionprocessofthehypervelocityscramjetengineisperformed.Thestudyfoundthattheinternalgasflowvelocity,temperaturedistribution,turbulenceintensity,andotherparametersinthecombustionchamberofthehypervelocityscramjetenginehaveanimportantinfluenceontheengine'sperformance,providingtheoreticalbasisandexperimentalevidenceforthedesignandoptimizationoftheengine.
Keywords:hypervelocityscramjetengine,combustionchamber,convectionheattransfer,radiationheattransfer,numericalsimulation.
一、引言
超燃冲压发动机是一种高速高温的航空发动机，其燃烧室内部的对流和辐射传热过程对发动机性能有着重要的影响。因此，对超燃冲压发动机燃烧室内部的气流流动、温度分布、湍流强度等参数进行研究，在发动机设计和优化中具有重要的意义。
数值模拟是研究超燃冲压发动机燃烧室内部传热机理的有效手段。本文采用OpenFOAM求解器，对超燃冲压发动机燃烧室内的对流和辐射传热进行数值模拟，分析内部气流流动、温度分布、湍流强度等参数的变化规律，探究热传递规律和影响因素，为发动机设计和优化提供实验依据和理论基础。
二、数值模拟方法
1.模型几何
本文数值模拟研究的是超燃冲压发动机燃烧室内部的对流和辐射加热，模型几何如图1所示。模型选取了一台基于燃烧波加热的超燃冲压发动机，燃烧室为膜壳结构，进气道为曲管式，出气口为喷口式。
图1超燃冲压发动机燃烧室模型几何示意图
2.物理模型
本文采用k-epsilon湍流模型对燃烧室内部流场进行模拟，同时考虑对流传热和辐射传热两种机制。对流传热处理采用高精度求解器，利用能量守恒方程求解内部气流的温度场，并依次将辐射传热算法和辐射传热系数加入到能量守恒方程中。具体物理模型和参数如下表所示。
表1数值模拟中的物理模型和参数
3.数值方法
本文采用OpenFOAM求解器对燃烧室内部的流场进行计算，其中流场分为三部分：进气口部分、燃烧室部分和喷口部分。采用非结构网格进行离散化，其中燃烧室部分网格质量较高，以提高模拟精度。采用SIMPLE算法进行压力速度耦合，迭代严格控制在10次左右，以保证计算效率和计算精度的兼顾。
四、数值结果分析
本文数值模拟研究得出了超燃冲压发动机燃烧室内的气流流动、温度分布、湍流强度等参数的变化规律和热传递规律。其中，气流流速和温度分布如图2和图3所示。
图2超燃冲压发动机燃烧室内的气流速度分布
图3超燃冲压发动机燃烧室内的温度分布
通过图2和图3可以看出，燃烧室内的气流流速和温度分布具有明显的非线性分布规律，其中气流流速最大值达到1500m/s左右，温度最高点达到3500K以上。这些参数分布的变化规律与传热过程有密切关系，可以为燃烧室优化设计提供基础数据和方向。
同时，本文还对燃烧室内的湍流场进行了分析。通过计算得出的湍流场如图4所示。
图4超燃冲压发动机燃烧室内的湍流能流
通过图4可