镁基水冲压发动机地面直连试验与数值模拟

摘要

近年来水下拦截技术的快速发展对鱼雷性能提出了越来越高的要求,水冲压发动机作为已被证明的超高速鱼雷的可靠动力,具有良好的应用前景和研究意义。由于水冲压发动机工作过程中需要引入外部海水作为氧化剂,因此燃烧组织形式对发动机工作性能有直接影响。本文以研究180 mm直径镁基金属燃料水冲压发动机工作规律、并从进水组织方面提高发动机工作性能为目的,开展了地面直连试验与数值模拟,对镁基水冲压发动机进行了研究。首先,对大空间单喷嘴及发动机内多喷嘴的雾化工作过程进行了冷态观测实验,在此基础上开展了镁基水冲压发动机热试车实验。其次,对发动机内流场进行了数值模拟,通过将计算结果与实验结果对比,验证了数值模型的合理性。分析了不同燃面位置的发动机流场分布,研究了一次进水偏转角度、喷嘴个数及进水口排布等因素对发动机压强及推力的影响。实验结果表明,单个喷嘴流量符合文献中的压差经验关系式;沿雾化水流向,喷雾粒径逐渐增大,在60～80 mm位置趋于定值;多个喷嘴工作时,雾化水会互相凝聚,形成轴向射流,轴向射流长度与喷嘴个数及供水压差成正相关;发动机比冲随水燃比的增大(0.5、1.6、2.5、2.9、3.4、4.1、4.7)先增大后减小,3.4水燃比时发动机比冲最高;发动机燃烧室工作压强变化会对供水压强造成影响,进而影响供水流量,这不利于发动机稳定工作;点火瞬间,发动机尾部壁温最高可达1489 K,雾化水进入燃烧室后,壁温最低可降至488 K。进水流量相同时,数值模拟计算压强与实验压强变化规律一致,平均压强相差9.3%。流场计算结果表明,镁/水反应主要发生在燃烧室头部一次水反应区,液态水喷入燃烧室后的随流性是导致燃烧室尾部壁面温度较低的主要原因。受一次水反应区温度与镁/水掺混程度的影响,燃烧室压强随燃面退移先增大后减小;所研究的四种一次进水偏转角度中(0°、30°、45°、60°),45°时化学反应速率及燃烧室压强最高。进水总流量不变时,三种喷嘴数量中(10、14、18),14个喷嘴时液滴与燃气的掺混效率和化学反应速率最高。保持进水流量不变,在发动机尾部增加一个进水口可使雾化水分布更加均匀,有利于推力的提升,但进水口位置过于靠近喷管会使两相流损失增大,发动机推力降低。本文的研究方法与结论能够为金属燃料水冲压发动机的设计提供一定的参考。

目录

摘要

abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 超高速鱼雷技术

1.1.2 水冲压发动机技术

1.2 国内外研究现状

1.2.1 镁颗粒燃烧研究现状

1.2.2 水冲压发动机实验研究现状

1.2.3 水冲压发动机数值模拟研究现状

1.2.4 研究中的不足

1.3 本文研究内容

第2章 水冲压发动机地面直连试验研究

2.1 水冲压发动机地面直连试验设计

2.1.1 水冲压发动机冷态性能测试实验设计

2.1.2 水冲压发动机地面热试车实验设计

2.1.3 水冲压发动机结构设计

2.2 水冲压发动机地面直连试验流程与步骤

2.3 水冲压发动机地面直连试验结果与分析

2.3.1 单喷嘴冷态性能测试实验结果与分析

2.3.2 多喷嘴冷态性能测试实验结果与分析

2.3.3 发动机地面热试车实验结果与分析

2.4 水冲压发动机地面直连试验结论

2.5 本章小结

第3章 水冲压发动机内流场数值模拟模型建立与验证

3.1 水冲压发动机工作物理过程分析

3.2 水冲压发动机内流场计算数学模型

3.2.1 控制方程

3.2.2 湍流模型

3.2.3 气固多相耦合计算模型

3.2.4 液滴蒸发模型

3.2.5 气相燃烧模型

3.2.6 动网格技术

3.3 水冲压发动机内流场计算设置

3.3.1 物理模型

3.3.2 镁/水反应机理

3.3.3 简化与假设

3.3.4 边界条件

3.4 水冲压发动机内流场计算模型验证

3.4.1 网格无关性验证

3.4.2 时间步长无关性验证

3.4.3 数值模型验证

3.5 本章小结

第4章 水冲压发动机不同燃面位置内流场分析

4.1 水冲压发动机燃面退移过程计算

4.2 初始燃面位置发动机流场分析

4.3 不同燃面位置发动机流场对比与分析

4.3.1 不同燃面位置燃烧室流动特性对比与分析

4.3.2 不同燃面位置燃烧室压强对比与分析

4.4 本章小结

第5章 水冲压发动机不同进水方案分析

5.1 一次进水偏转角度对发动机流场影响分析

5.2 喷嘴数量对发动机流场影响分析

5.3 进水口排布方式对发动机流场影响分析

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献