淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-2707201012122900
中文論文名稱 直接模擬蒙地卡羅法於超音速沖壓引擎之增強內流場混合效率分析
英文論文名稱 The Investigation of Fluid Dynamics of Scramjet to Enhance Mixing Efficiency using DSMC Method
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 林紘緯
研究生英文姓名 Hong-Wei Lin
學號 697370731
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-07-15
論文頁數 99頁
口試委員 指導教授-洪祖昌
委員-王政盛
委員-吳宗信
委員-黃俊誠
中文關鍵字 直接模擬蒙地卡羅法  超音速燃燒衝壓引擎  混合效率 
英文關鍵字 DSMC  Scramjet  Mixing Efficiency 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 超音速燃燒衝壓引擎是一種有高技術難度的推進系統,其運作的環境通常為空氣密度較稀薄的流場,在這種情況下巨觀的連續流體的假設基礎呈顯薄弱,需改用微觀的粒子流體模型的觀點進行分析,本文使用直接模擬蒙地卡羅法(DSMC),此法是目前較為被廣用於模擬分析粒子運動行為模式的方法。
由於超音速燃燒衝壓引擎運作於較高飛行馬赫數的環境,因此當自由流進入內流場時仍保持較高的動量,此時如何讓燃料與空氣可以在此環境下混合良好便成了一個重要的課題,混合情況的好壞直接影響燃燒品質,這也將與其產生的推力有直接的關係,因此本文對不同引擎構型所產生的混合效率做了一系列的分析。
英文摘要 Scramjet is a very high-tech difficulty of the propulsion system, it operations of the environment usually as the thinner the air flow field, in this case macro based on the assumption of continuous flow was obviously weak. Hence, we have to discuss flow fluid by microscopic molecular model, this article using direct simulation Monte Carlo (DSMC), this method is more widely used to simulation analysis the particle movement patterns.
As the Scramjet operating at high Mach number environment, therefore, when the free stream into the flow field still maintained the high momentum at this time how to make the fuel and air can be mixed well in this environment has become an important issue, mixing situation direct affect the quality of combustion, which also will produce the thrust is directly related, this article generated under different shape to do a series of mixing efficiency analysis.
論文目次 摘要
目錄 I
表目錄 IV
圖目錄 V
符號表 XII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2紐森數的定義 2
1-3研究目的 4
1-4文獻回顧 5
第二章 直接模擬蒙地卡羅法 8
2-1 直接模擬蒙地卡羅法(DSMC) 8
2-2網格與時步的設置 9
2-3流場的初始條件設定 10
2-4 流場邊界處理 10
2-5分子模型 13
2-5.1可變式硬球(VHS)模型 13
2-5.2雙原子分子模型 14
第三章 超音速燃燒衝壓引擎 18
3-1 概述超音速燃燒衝壓引擎 18
3-2超音速燃超衝壓引擎的構造 19
3-3 超音速燃燒衝壓引擎的挑戰 20
第四章 結果與討論 21
4-1 程式驗證 21
4-2 二、三維外型設置與自由流條件 21
4-3 混合效率與全壓損失 22
4-4.1 12、15、18馬赫算例外流場變化 23
4-4.2 12、15、18馬赫算例紐森值與雷諾數於流場分佈 24
4-4.3 12馬赫算例內流場變化 24
4-4.4 12馬赫算例燃料密度分佈與混合效率 26
4-4.5 15、18馬赫算例內流場變化 26
4-4.7 全壓損失之比較 28
4-5 相同ICR、不同擴張率比較 28
4-5.1燃料密度分佈與混合效率 29
4-5.2全壓損失之比較 29
4-6 二維與三維結果比較 30
4-7 改變外型之模擬結果 31
4-8 方形凹槽之不同噴燃處比較 33
4-8.1 迴流區分佈 33
4-8.2燃料密度分佈與混合效率 33
4-9 後方斜率凹槽之不同噴燃處比較 33
4-9.1迴流區分佈 34
4-9.2燃料密度分佈與混合效率 34
第五章 結論與建議 35
5-1 結論 35
5-2 建議與未來工作 36
參考文獻 37
附錄 95

表目錄
表4- 1 突張結構條件設置 41
表4- 2 凹槽結構與噴燃處設置 41
表4- 3自由流與噴嘴條件設定 42
表4- 4 可變硬球模型基本參數(273K,1atm) 42

圖目錄
圖1- 1 Kn值與統御方程式之關係圖 43
圖2- 1稀薄度與密度關係圖 43
圖2- 2 DSMC流程圖 44
圖2- 3 碰撞示意圖 44
圖3- 1 渦輪引擎構造圖 45
圖3- 2 衝壓噴射引擎構造圖 45
圖3- 3 超音速燃燒衝壓引擎構造圖 45
圖3- 4 碳氫化合物與氫燃料於不同噴射引擎之關係圖 46
圖4- 1 12馬赫算例與實驗數據比較圖(A)中心體(B)整流罩 47
圖4- 2 15馬赫算例與實驗數據比較圖(A)中心體(B)整流罩 47
圖4- 3 18馬赫算例與實驗數據比較圖(A)中心體(B)整流罩 47
圖4- 4 12馬赫算例之馬赫數分佈圖 48
圖4- 5 15馬赫算例之馬赫數分佈圖 48
圖4- 6 18馬赫算例之馬赫數分佈圖 49
圖4- 7 二維超音速燃燒衝壓引擎外型(內具突張結構) 50
圖4- 8 二維超音速燃燒衝壓引擎外型(內具凹槽) 50
圖4- 9 三維超音速燃燒衝壓引擎外型 50
圖4- 10 12馬赫算例馬赫線分佈 51
圖4- 11 12馬赫算例壓力線分佈 51
圖4- 12 15馬赫算例馬赫線分佈 51
圖4- 13 15馬赫算例壓力線分佈 52
圖4- 14 18馬赫算例馬赫線分佈 52
圖4- 15 18馬赫算例壓力線分佈 52
圖4- 16 12馬赫算例紐森值分佈 53
圖4- 17 15馬赫算例紐森值分佈 53
圖4- 18 18馬赫算例紐森值分佈 53
圖4- 19 12馬赫算例雷諾數分佈 54
圖4- 20 15馬赫算例雷諾數分佈 54
圖4- 21 18馬赫算例雷諾數分佈 54
圖4- 22 12馬赫算例馬赫數分佈圖 55
圖4- 23 12馬赫算例壓力分佈圖 55
圖4- 24 12馬赫算例溫度分佈圖 56
圖4- 25 12馬赫算例密度分佈圖 56
圖4- 26 12馬赫燃料密度分佈圖 57
圖4- 27 12馬赫氫、氧粒子分佈圖 57
圖4- 28 12馬赫混合效率比較圖 57
圖4- 29 15馬赫算例馬赫數分佈圖 58
圖4- 30 15馬赫算例壓力分佈 58
圖4- 31 15馬赫算例溫度分佈圖 59
圖4- 32 15馬赫算例壓力分佈 59
圖4- 33 15馬赫燃料密度分佈圖 60
圖4- 34 15馬赫氫、氧粒子分佈圖 60
圖4- 35 15馬赫算例混合效率比較圖 60
圖4- 36 18馬赫算例馬赫數分佈圖 61
圖4- 37 18馬赫算例壓力分佈圖 61
圖4- 38 18馬赫算例溫度分佈圖 62
圖4- 39 18馬赫算例密度分佈圖 62
圖4- 40 18馬赫燃料密度分佈圖 63
圖4- 41 18馬赫氫、氧粒子分佈圖 63
圖4- 42 18馬赫算例混合效率比較圖 63
圖4- 43 12馬赫算例全壓損失率 64
圖4- 44 15馬赫算例全壓損失率 64
圖4- 45 18馬赫算例全壓損失率 65
圖4- 46 12馬赫算例馬赫數分佈圖 66
圖4- 47 15馬赫算例馬赫數分佈圖 66
圖4- 48 18馬赫算例馬赫數分佈圖 67
圖4- 49 12馬赫算例壓力分佈圖 67
圖4- 50 15馬赫算例壓力分佈圖 68
圖4- 51 18馬赫算例壓力分佈圖 68
圖4- 52 12馬赫算例溫度分佈圖 69
圖4- 53 15馬赫算例溫度分佈圖 69
圖4- 54 18馬赫算例溫度分佈圖 70
圖4- 55 12馬赫算例密度分佈圖 70
圖4- 56 15馬赫算例密度分佈圖 71
圖4- 57 18馬赫算例密度分佈圖 71
圖4- 58 12馬赫燃料密度分佈圖 72
圖4- 59 15馬赫燃料密度分佈圖 72
圖4- 60 18馬赫燃料密度分佈圖 72
圖4- 61 12馬赫氫、氧粒子分佈圖 73
圖4- 62 15馬赫氫、氧粒子分佈圖 73
圖4- 63 18馬赫氫、氧粒子分佈圖 73
圖4- 64 12馬赫算例混合效率比較圖 74
圖4- 65 15馬赫算例混合效率比較圖 74
圖4- 66 18馬赫算例混合效率比較圖 75
圖4- 67 12馬赫算例全壓損失率 75
圖4- 68 15馬赫算例全壓損失率 76
圖4- 69 18馬赫算例全壓損失率 76
圖4- 70 12馬赫算例馬赫數分佈 77
圖4- 71 12馬赫算例壓力分佈 77
圖4- 72 12馬赫算例燃料密度分佈 78
圖4- 73 12馬赫算例燃料密度分佈(Z=0.0) 78
圖4- 74 12馬赫算例燃料密度分佈(Z=0.004) 78
圖4- 75 12馬赫算例燃料密度分佈(Z=0.008) 78
圖4- 76 15馬赫算例馬赫數分佈 79
圖4- 77 15馬赫算例壓力分佈 79
圖4- 78 15馬赫算例燃料密度分佈 80
圖4- 79 15馬赫算例燃料密度分佈(Z=0.0) 80
圖4- 80 15馬赫算例燃料密度分佈(Z=0.004) 80
圖4- 81 15馬赫算例燃料密度分佈(Z=0.008) 80
圖4- 82 18馬赫算例馬赫數分佈 81
圖4- 83 18馬赫算例壓力分佈 81
圖4- 84 18馬赫算例燃料密度分佈 82
圖4- 85 18馬赫算例燃料密度分佈(Z=0.0) 82
圖4- 86 18馬赫算例燃料密度分佈(Z=0.004) 82
圖4- 87 18馬赫算例燃料密度分佈(Z=0.008) 82
圖4- 88 12馬赫二維與三維混合效率比較 83
圖4- 89 15馬赫二維與三維混合效率比較 83
圖4- 90 18馬赫二維與三維混合效率比較 84
圖4- 91 12馬赫二維與三維結果比較 84
圖4- 92 15馬赫二維與三維結果比較 85
圖4- 93 18馬赫二維與三維結果比較 85
圖4- 94 方形凹槽馬赫數分佈 86
圖4- 95 方形凹槽壓力分佈 86
圖4- 96 方形凹槽溫度分佈 87
圖4- 97 方形凹槽密度分佈 87
圖4- 98 方形凹槽迴流區分佈 88
圖4- 99 方形凹槽燃料密度分佈 88
圖4- 100 方形凹槽氫、氧粒子分佈圖 89
圖4- 101 方形凹槽混合效率比較圖 89
圖4- 102 後方斜率凹槽馬赫數分佈 90
圖4- 103 後方斜率凹槽壓力分佈 90
圖4- 104 後方斜率凹槽溫度分佈 91
圖4- 105 後方斜率凹槽密度分佈 91
圖4- 106後方斜率凹槽迴流區分佈 92
圖4- 107 後方斜率凹槽燃料密度分佈 92
圖4- 108後方斜率凹槽氫、氧粒子分佈圖 93
圖4- 109 後方斜率凹槽混合效率比較圖 93
圖4- 110 凹槽與後方斜率凹槽之混合效率比較 94
圖4- 111 三算例二維非平衡區分佈 96
圖4- 112 12馬赫算例非平衡區分佈 97
圖4- 113 15馬赫算例非平衡區分佈 97
圖4- 114 18馬赫算例非平衡區分佈 98
圖4- 115 方形凹槽非平衡區分佈 99
圖4- 116後方斜率凹槽非平衡區分佈 99

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