高金属含量水冲压发动机点火瞬态过程研究

发布时间：2020-05-04 06:00

【摘要】：水冲压发动机是一种新型水反应高能量密度推进系统,燃料中金属含量增加可显著提高发动机性能,但也给点火启动带来更多挑战。高金属含量水冲压发动机点火瞬态过程理论研究复杂,试验研究难度高成本大,本文以水冲压发动机为研究对象,采用理论分析和数值模拟相结合的方式,开展高金属含量水冲压发动机点火瞬态过程及其影响因素研究。基于现有试验和热力计算结果,分析水冲压发动机点火过程不同阶段燃料热分解特性和组份构成;基于固相着火理论、化学反应平衡定律和能量守恒定律建立点火过程自持燃烧模型;试验表明物理、数学模型具有合理性。基于该模型分析了镁/水反应对燃料自持燃烧的影响,结果表明当点火药能量足以维持燃料升温和进水焓变吸热时,进水量增加有利于提高系统的平衡温度;当点火药能量不足时,进水会降低系统平衡温度,甚至导致熄火;存在进水后仍可维持发动机自持燃烧的点火药能量最小值。建立了水冲压发动机点火过程多相湍流计算模型和点火药传热模型,结合发动机自持燃烧模型,实现了基于商业软件的点火药/自持燃烧/多相湍流燃烧耦合计算方法,与试验结果对比验证,表明仿真具有较高精度。建立了水冲压发动机点火性能评价指标体系,分析了无进水时不同点火药类型、点火药量下发动机点火瞬态过程的流场特征及对发动机点火性能的影响,提出点火药类型和点火药量的较优设计方案,分析了一次进水时间和一次进水量下发动机点火瞬态过程流场特征及其影响。研究表明:黑火药与硼/硝酸钾相比,燃料自持燃烧平衡建立时燃料燃面温度较低,仍满足燃料着火条件,且点火延迟时间短;点火药量过大时,点火压力峰值可能超过发动机负载;黑火药点火时,一次进水时刻处于点火压力峰之前,点火过程压强峰值较大,发动机实现稳态燃烧延时较短;一次进水量较大时,进水吸热较多造成燃烧室镁蒸气质量减小,燃烧室平衡压强降低。本文研究成果与结论可为高金属含量水冲压发动机设计提供重要参考,促进未来高速水中兵器喷气推进系统应用技术的发展,对其他动力系统多相耦合点火过程研究也具有重要的参考价值。
【图文】：

示意图,鱼雷结构,示意图

和潜艇等的水下兵器，受到世界各军事强国的广泛重视。一般而言，鱼雷航速在 1.5 倍目标航速以上时才能满足攻击目标的要求[1]，目前，航空母舰等大型水面舰艇航速为 25~35kn 左右，并配备十分完善的反导手段，而美国 MK-48 系列重型鱼雷，俄罗斯 65-76 热动力鱼雷，意大利“黑鲨”重型电动鱼雷等代表性常规鱼雷多采用螺旋桨推进的动力装置，难于突破 70kn 的极限速度[2]，，攻击力有限；固体火箭发动机推进系统虽然不受推进器限制，但需自携带大量氧化剂，大幅降低燃料能量密度，缩短鱼雷航程。为了同时满足高航速、远航程的鱼雷作战应用需求，上世纪中后期，美俄先后提出了结合水冲压发动机技术和“超空泡”减阻技术的高速鱼雷（如图 1.1）概念，其推进系统工作过程示意如图1.2 所示：发动机自携带的水反应金属燃料在外部点火能量的激励下着火、燃烧，生成含有大量凝相金属微粒和气态金属的富燃燃烧产物，在发动机内形成高温高压工作环境；海水受流体动压压差驱动通过供水管路进入燃烧室，部分进水经喷射雾化后受热蒸发，与燃料自持燃烧产物中的金属和碳氢化合物反应放出热量；其余进水吸收燃料/水反应产生热量，转化为水蒸汽，增加发动机工质；燃烧产物及水蒸汽经喷管膨胀后排出做功，使发动机产生推力，实现水下航行器的高速航行[3]。

示意图,推进系统,工作过程,示意图

其推进系统工作过程示意如图1.2 所示：发动机自携带的水反应金属燃料在外部点火能量的激励下着火、燃烧，生成含有大量凝相金属微粒和气态金属的富燃燃烧产物，在发动机内形成高温高压工作环境；海水受流体动压压差驱动通过供水管路进入燃烧室，部分进水经喷射雾化后受热蒸发，与燃料自持燃烧产物中的金属和碳氢化合物反应放出热量；其余进水吸收燃料/水反应产生热量，转化为水蒸汽，增加发动机工质；燃烧产物及水蒸汽经喷管膨胀后排出做功，使发动机产生推力，实现水下航行器的高速航行[3]。图 1.1 超高速鱼雷结构示意图图 1.2 水冲压推进系统工作过程示意图与传统固体火箭发动机相比，水冲压发动机的燃料体系仅含有满足燃料一次
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ630.32

【参考文献】