铝基金属燃料水冲压发动机内流场数值模拟

发布时间：2020-06-21 00:33

【摘要】：铝基金属燃料水冲压发动机作为水下超高速航行体的动力装置,有着良好的应用前景和研究意义,本文以提高铝基金属燃料水冲压发动机工作性能为目的,结合理论分析和热力计算,应用FLUENT数值仿真技术,对铝基金属燃料水冲压发动机进行研究。首先对Al/AP/HTPB铝基金属燃料进行热力计算,研究其不同条件下的能量特性,研究表明铝基金属燃料有着较高的能量密度,铝基金属燃料中铝含量的越大,燃料的能量特性越高,在最优水燃比下,发动机比冲能够达到5000m/s以上。其次对含铝复合推进剂发动机内流场的分布燃烧进行计算,模拟结果与文献一致,验证了本文数值模拟方法的正确性。然后对铝基金属燃料水冲压发动机进行数值模拟,数值计算的结果能够吻合热力计算的结果,发动机内各项参数相对误差不超过5%,准确地描述了铝基金属燃料水冲压发动机内流场燃烧与流动的工作过程,得到了水冲压发动机内铝/水燃烧的规律。最后,对水冲压发动机进行优化设计,研究了一次进水位置、二次进水位置、水燃比和液滴雾化直径对铝基金属燃料水冲压发动机内流场分布的影响。结果表明一次进水距离较小时,一次水反应区靠近燃面,一次进水导致燃面附近温度降低,不利于推进剂和铝颗粒的稳定燃烧;一次进水距离较大时,一次进水和二次进水的水液滴蒸发吸热,导致流场温度降低,不利于铝/水反应的进行。二次进水距离较小时,二次进水水液滴蒸发吸热,铝/水反应区温度过早的降低,不利于铝/水反应的进行;二次进水距离较大时,在燃烧室内水液滴未能完全蒸发,发动机气相工质减少,同时造成两相流损失,发动机工作效率降低。总水燃比较小时,发动机燃烧室温度增大,水液滴蒸发效率高,两相流损失较小,但是气相工质较少,发动机比冲难以达到要求;当总水燃比较大时,发动机燃烧室温度较低,水液滴蒸发效率降低,两相流损失较大,发动机工作性能下降。雾化水液滴直径较小时,水液滴蒸发较快,能够较好地为铝/水反应提供氧化剂和为发动正常工作提供工质,但是当水液滴直径进一步减小,水液滴瞬间蒸发,流场温度迅速下降,不利于铝/水反应的进行;雾化水液滴直径较大时,水液滴蒸发时间增大,蒸发距离较长,铝/水反应速率下降,水液滴蒸发效率下降,两相流损失较大,发动机工作性能下降。在进行发动机设计过程中,需对以上参数进行合理设计,使得发动机性能达到最优。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ630.32
【图文】：

暴风雪,鱼雷,俄罗斯

源（Li/SF6、奥托-II 等）驱动热机做功[13]，电推进系统中主要由电池（铝锂离子电池等）带动电机做功[14]，动力装置驱动螺旋桨产生推力，此时，决定了鱼雷的航速，采用螺旋桨推进方式的鱼雷最大速度约为 70 节。固推进系统为直接推进方式，工质从发动机喷管喷出，直接作功推动鱼雷航了推进效率，但是由于固体火箭发动机自身应用的局限性，工作时间短，以满足水下作战要求。高鱼雷航速的另一个关键技术为减阻，基于超空泡和水冲压发动机的推进够大大减小鱼雷在水中的阻力[15-16]。俄罗斯率先将这一技术应用在鱼雷武泡武器“暴风雪”超高速鱼雷在 1995 年的阿布扎比国际防务展览会上首次如下图 1.1 所示。暴风鱼雷，采用了超空泡减阻和水冲压发动机技术相结潜艇发射，以超过 200 节的超高速度航行，航程超过 10 千米，可以对海灭性打击，具有具有极强的攻击能力，同时还可以作为水下运载器装载轻实现快、准、狠的攻击特点[18]。

示意图,发动机,内部结构,示意图

.2 水冲压发动机技术发展水冲压发动机是一种新型的推进系统，以金属基金属燃料作为燃烧剂，外界海烧的主氧化剂和主要工质，有效地提高了发动机的比冲，推进剂主要成分为可应的金属燃料，具有很高的能量密度[19]。水冲压发动机比冲远大于常规固体火，是超高速水下航行体动力系统的理想选择，能够实现水下航行体高航速、远求[20-21]。金属基燃料水冲压发动机结构简单，可靠性高，主要由进水管路系统、金属基燃雾化装置、燃烧室和喷管等机构组成，如下图 1.2 所示。水冲压发动机正常工作剂在燃料入口点火燃烧，金属颗粒由高温燃气输送到燃烧室；海水通过进水管控制阀，经喷嘴雾化后进入燃烧室；雾化后的水液滴受热蒸发成水蒸气，与燃金属进一步燃烧放热，过量的水液滴受热蒸发被作为发动机的工质；以水蒸气相工质经喷管膨胀做功，产生推力，实现水下航行器的高速航行[22-23]。进水管路金属基燃料喷注系统燃烧室喷管

【参考文献】