基于非平衡态热力学的吸气式组合循环发动机不可逆损失研究

Integration of the aerospace and aviation is an important development direction in the future. The air-breathing combined cycle engine is one of the main form of aerospace propulsion systems. This project focuses on the research of irreversible loss within the air-breathing combined cycle engine. Based on the key problems faced by the development of air-breathing combined cycle engine and the limitation of the classical equilibrium thermodynamics, the demand of irreversible thermodynamics research is presented. Focusing on the main irreversible loss in the combined cycle engine, the impact of perturbation on stability of engine working mode is revealed within linear and nonlinear regime respectively. By making use of the minimum entropy theory, the working boundary of non-equilibrium stationary regime can be gained. Within the non-equilibrium stationary regime, multidisciplinary optimization design is used to determine an allocation plan of the irreversible loss, which can show the way to raise the efficiency of energy transition. By applying the theory of dissipative structure of non-equilibrium thermodynamics, the typical irreversible process in the combined cycle engine will be analyzed, by which the mode transition will also be studied.

空天融合是未来航空航天发展的重要方向，吸气式组合循环发动机是空天动力的主要形式。本项目面向吸气式组合循环发动机的不可逆损失过程，在讨论了吸气式组合循环发动机发展面临的问题以及经典平衡态热力学局限性的基础上，针对性地提出了开展非平衡态热力学研究的必要性。围绕组合循环发动机内流场的主导不可逆损失，在非平衡态热力学的线性区和非线性区揭示两种不同类型的扰动对发动机工作模态稳定性的影响。基于最小熵产生原理，判断发动机各种非平衡定态的工作边界；在非平衡定态区域，采用多学科优化方法优化不可逆损失分配方案，给出组合循环发动机提高能量转换过程经济性的方向及途径。利用非线性非平衡态热力学的耗散结构理论，结合动力学方程建立和发展描述组合发动机典型不可逆过程的分析模型，研究工作模态转换的机制并预测模态转换的路径。

宽速域、大空域的吸气式组合循环发动机是未来空天动力的主要形式，对传统的航空/航天动力具有颠覆性的影响，是当前国内外航天大国重点研究方向。针对吸气式组合循环发动机理论基础薄弱的现状，本项目将主要开展以下四个方面的研究, 以促进组合循环发动机技术和理论进一步发展。. 通过对火箭基组合发动机在Ma0-6宽马赫数范围的工作模态分析，结合火箭射流与冲压空气流的主要组合工作模式，从热力循环的角度讨论了提高发动机性能的方向；并建立先掺混后燃烧、边掺混边燃烧、独立冲压流道等三种典型燃烧组织模式下的发动机整体准一维热力分析模型;建立了RBCC发动机的㶲计算模型，开展㶲损失分析。结论表明，高引射火箭室压能够增强火箭的引射能力和来流的做功能力，但是系统㶲效率并未得到显著提升，㶲损失最大来源为引射火箭的燃烧损失。.协同吸气式火箭发动机（SABRE）具有推重比大、比冲高的优点，被认为是未来理想的单级入轨推进装置。本项目采用循环参数分析方法，通过建立发动机的流量、压力、功率以及温度平衡模型，可以进行全飞行包线下发动机稳态性能计算，获得发动机工作静态平衡参数,为发动机设计点工作参数的选择提供参考。为了研究SABRE循环系统的损失分布规律以及性能特性，针对发动机系统开展了㶲分析，通过调节㶲损失分布以获得最大㶲效率。. 基于雷诺平均N-S方程，对常见于吸气式高超声速推进系统的隔离段内流动进行了数值模拟，并根据数值模拟结果，对流动的熵产特性进行了分析，区分出了隔离段流动中的各种耗散因素，结合非平衡热力学理论，确定了燃烧室内的各不可逆因素对熵产的贡献程度，从而有针对性地对燃烧室进行优化设计以降低能量耗散。. 此外，本项目还开展了三组合循环发动机大空域/宽速域下火箭增强冲压模态数值仿真研究以及双模态燃烧室的地面实验，分析了发动机的工作模态、总压损失以及性能参数与燃料喷注方案之间的关系，为未来进一步发展多组合循环动力研究奠定了基础。