气液两相冲压发动机工作特性研究

发布时间：2020-10-01 05:24

　　动力系统作为水下航行器的“心脏”一直是国内外学者研究的热点,近年来,随着减阻技术和结构优化的快速发展,高性能舰船及水下航行器的速度得到大幅提升,同时也对水下推进装置提出了更高要求。在此背景下,本文以一种新型水下气液两相冲压发动机为研究对象,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对其工作过程和工作特性进行深入研究。首先,通过分析气液两相冲压发动机的工作过程,建立了气液两相冲压发动机的理想循环,定义了评估理想发动机性能的四个参数:能量转化效率、推进效率、总效率和比冲,研究了气体压缩过程、航行速度、气/水质量比、航行深度对发动机理论性能的影响。其理论性能具有如下特点:推进效率高是该发动机主要的性能优势,其理论值一般在50%-95%;总效率一般随航行速度的增加而减小,随气液质量比的增大而减小,随航行深度的增大而减小,其理论值一般在35%到55%之间;气液质量比一定时,发动机存在一个最优速度使得比冲最大,比冲峰值可以达到400s以上;航行深度的增加会导致发动机背压的增大,从而降低发动机的性能,因此,气液两相冲压发动机的适用范围为水深不超过10m。其次,通过研究气液两相冲压发动机混合腔中气泡的生成过程,建立了更为完备的气液两相冲压发动机一维稳态模型,可以根据流场条件和通气参数较为准确地预测气泡初始半径,根本上改进了仅根据工程经验预估气泡初始半径的发动机性能预示方法,并通过对比实验数据验证了模型的准确性。基于该模型,对气液两相冲压发动机的进行性能预示,主要结论为:气液两相冲压发动机的工作条件对气泡初始半径影响显著,而气泡初始半径大小对发动机工作性能也有一定影响,因此气泡生成模型对发动机性能预测具有重要作用;在气泡生成过程中,浮力和重力对气泡初始半径的影响微弱,即可将模型简化为二维模型;在气体质量流率一定的情况下,气液两相冲压发动机的推力及比冲均随着航行速度的增大先增大后减小;气孔直径较小的气泡发生器有利于气液两相冲压发动机性能的提高,但是当气孔直径小于1毫米时,此种增益是可以忽略的。最后,利用计算流体力学方法研究了气液两相冲压发动机内流场的流动特性随发动机工作条件的变化规律,重点研究了考虑气蚀效应后的气液两相冲压发动机工作特性。主要结论为:采用壁面通气的气液两相冲压发动机内存在明显的气液分层现象;当航行速度较高时(32m/s),气液两相冲压发动机入口附近会产生气蚀并造成严重的总压损失,导致扩张段下游产生流动分离,发动机性能急剧降低;通过增大气体质量流率,气液两相冲压发动机内流场的压力将会随之升高,气蚀效应被抑制;提高注入发动机气体的温度,发动机的推力及比冲均增大,但是发动机效率急剧降低。
【学位单位】：国防科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：U664.1;TJ6
【部分图文】：

冲压发动机,气液两相,实物

图1.14气液两相冲压发动机实物图[9]以上介绍的气液两相冲压发动机均是通过压缩将能量传递给气体，还有一型的发动机是通过燃烧或者加热使气体的能量增大，然后再与水流混合形成流并产生推力。解密资料显示[10,11,30]，美国海军在1950年至1960年间对LCLO为固体燃料的水下两相推进发动机进行了大量理论与试验研究。如图1.15所示为Hydroduct的基本构型，包括扩张式进水道、弹体、通水、ALCOL燃料、点火器、燃烧室和尾喷管。发动机通过铝热剂燃烧加热海水

示意图,喷管,几何结构,示意图

流混合后形成泡状流进入试验喷管。图1.25气泡加力喷水发动试验中为了方便观测喷管中的内部流图1.26所示，喷管上布有测压孔。在实验过程注入以达到更加均匀的气泡分布，如图1.27所

多变指数,压缩过程,发动机,压气机

工作条件的变化关系，以期对气液两相冲压发动机的殊说明的情况下，气液两相冲压发动机的航行速度、航100m/s、0、300K。此时，发动机所处的环境压力为的增加环境压力的变化规律近似按照a 03为海水密度，2为海平面重力加速度。体压缩过程对发动机性能的影响们讨论压气机压缩气体时的多变指数对发动机能量转不同压缩过程虽然达到的最终状态相同，但是付出也不同。考虑极限情况，若，即等温过程，气体热量向外散失，压气机除了压缩气体增大气体压力外的能量转化效率为1，若（取=1.4），即绝热过部转变成了自身的内能，因而温升最大，压气机除了，还增加了气体的内能，此时能量转化效率最低。

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