金属燃料燃烧器内流场数值研究

发布时间：2020-09-03 20:07

　　随着科技的进步,航天领域的金属燃料发动机在水下航行中的应用也越来越广泛。对于金属燃料发动机,无论何种推进原理与金属燃料供应方式,作为整个动力系统的核心部件—燃烧器内的燃烧反应组织形式都十分地重要,因此如何提高燃烧器内部燃烧完全程度,从而提高水下武器的整体动力性能显得至关重要。本文针对粉末式供应方式的金属燃料燃烧形式,运用FLUENT流体仿真软件对不同构型的金属燃料燃烧器内部流场进行了数值仿真研究。研究了雾化水滴二次喷口的位置、水滴的雾化程度、雾化水滴的不同喷入角度等不同物理结构因素对金属燃料燃烧反应所产生的影响,通过研究发现:同一燃烧器构型下,物理结构因素的改变对燃烧器内部流场的压力分布、速度分布的影响较小,其主要影响内部流场燃烧反应,影响内部流场内的温度、铝金属颗粒以及燃烧产物的分布。当雾化水滴二次喷口位置与燃烧器前端距离较近时,会使得主反应所产生的高温区及铝金属颗粒完全消耗的位置提前,促进铝金属颗粒与水更加充分完全地发生燃烧反应。水滴的雾化程度越高,同样会使得主反应区域的位置提前,从而使反应更加地完全。雾化水滴喷入角度的不同对燃烧器前端的流场影响较大,当喷入角为0°时,燃烧产物与热量在燃烧器前端的大量聚集,会对结构材料产生一定的影响;喷入角度为45°时,温度等流场的分布更为均匀,对结构材料的耐热程度等要求较低,从而有利于动力系统整体性能的提高。不同的燃烧器构型内部的流场分布会有很大的不同,当金属燃料燃烧器构型为雾化水滴一二次喷口位置处的燃烧器直径比1:0.8或1:0.6时,由于收敛段结构的存在,会更好地增加内部铝金属颗粒与水的掺混效果,促使铝金属颗粒与水发生燃烧反应进一步地进行。同一构型燃烧器,综合考虑多种因素,得出雾化水滴二次喷口位置与前端距离较近、雾化程度较高以及喷入角为45°的燃烧器结构为优选形式;不同燃烧器构型中,雾化水滴一二次喷口位置处的燃烧器直径比为1:0.6的燃烧器为优选构型。本研究将为水下武器动力系统中燃烧器结构方案优选和优化设计提供技术参考。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TJ630.32
【部分图文】：

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第 3 章金属燃料燃烧反应数值模型验证计算中，针对涡耗散概念模型以及颗粒表面反应模型在金属燃料要通过将文献中的实验结果与数值仿真计算结果进行对比分析用性及有效性。此外，验证网格数量是否对计算结果产生影响中，既能保证计算精度又能节省计算资源。模型及颗粒表面反应模型验证要对内弹道测试的发动机模型[45]进行仿真计算，模拟含铝复合推燃烧，以验证涡耗散概念模型以及颗粒表面反应模型在解决铝金用性。结构模型的发动机物理结构图及计算网格划分情况分别如图 3.1、图 3.2

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既能保证计算精度又能节省计算资源。型及颗粒表面反应模型验证要对内弹道测试的发动机模型[45]进行仿真计算，模拟含铝复合燃烧，以验证涡耗散概念模型以及颗粒表面反应模型在解决铝用性。结构模型的发动机物理结构图及计算网格划分情况分别如图 3.1、图 3.2图 3.1 发动机结构示意图

压力分布,发动机,燃面,质量流量

表 3.2 边界条件设定界条件采用质量流量入口，根据推进剂的燃速给定匹配的质量流量，其中连续相燃气的质量百分85%，离散相 Al 颗粒质量百分数为 15%温度设置为热力计算得到的 AP/HTPB 燃烧火2592.50K，不考虑燃面的推移面绝热无滑移壁面条件压力出口果分析内部燃烧过程中，铝颗粒脱离燃面在经过燃烧室的过程中完中轴线上的压力如图 3.3、图 3.4 所示：

【参考文献】