基于一体化堆芯的小型核动力推进系统传热与推进特性研究

发布时间：2024-04-01 00:44

　　常规核动力系统的反应堆通常布置于发动机外部,需额外提供安放空间,不利于核动力系统的小型化;同时,空气经过堆芯加热后再进入发动机产生推力,存在一定能量损耗,不利于推进性能提升;本文以某款Ma<1的小型航空涡喷发动机为研究对象,提出一种一体化堆芯结构,将环形核燃料布置于发动机燃烧室内部构成新型多环反应堆系统实现推进系统的稳定加热。虽然环数的增加可有效提高系统换热能力,却引发更大压损,不利于推力的提升;为此,发展了核动力推进系统的数学模型及Matlab优化程序,并使用Fluent进行了正确性验证,通过Matlab数值模拟对多环结构进行优化。结果表明:多环结构可有效提高高速空气流的堆内换热;经优化设计后,多环结构可在推力F与换热系数h的归一化均值交点附近,找到最优结构,使其在较小的堆芯流动阻力损失下,达到原发动机同等的推进性能,能够满足巡航及最大推力两种工况的性能需求;同时,一体化堆芯设计避免了额外的反应堆空间布置,有效实现核动力推进系统紧凑、小型化的设计目的。

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【部分图文】：

图1一体化核动力涡喷发动机示意图

模型以某款Ma<1的涡轮喷气式发动机为基础，如图1所示，进气来流与尾喷管的流动均采用有摩擦的一维绝热流动，为提高系统换热能力，保证持续稳定加热，将反应堆布置在原环形燃烧室空间内（Φ92～140mm）与燃烧室一起构成一体化反应堆系统：将常规化学燃烧室替换为由n(2<n<35）个壁....

图2多环堆芯结构

图1一体化核动力涡喷发动机示意图压缩空气采用直接循环方式，经过反应堆堆芯直接换热，由尾喷管喷出产生推力。

图3环形燃烧室截面网格

本文针对环形燃烧室的改进设计主要是对燃烧室内环形窄通道的调整，来流进口主流速为60m/s，在巡航状态下的总进气量为6.29kg/s，取环形燃烧室内1/6的换热器结构进行研究，网格模型如图3所示。燃烧室加热部分的主要尺寸为：环形燃烧室内径92mm，环形燃烧室外径142mm，主换热区....

图4燃烧室流场分布特性（状态点3：ΔS3=1.6,n3=25)

由此得到各状态点的流场特性，其中状态点3（ΔS3=1.67,n3=25）处的流场特性如图4所示。该燃烧室模型模拟了巡航飞行状态下，加热功率为3MW，进气量为6.29kg/s的燃烧室加热与流动特性。模拟结果显示，燃烧室出口流速达到135m/s，出口压力约4.2×105Pa，进/....

本文编号：3944747