水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)一次進(jìn)水霧化錐角數(shù)值仿真

馮要飛, 伊 寅, 史小鋒, 韓新波, 喬 宏, 肖 波

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水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)一次進(jìn)水霧化錐角數(shù)值仿真

馮要飛1,2, 伊 寅1, 史小鋒1, 韓新波1, 喬 宏1, 肖 波1

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710075)

為了研究霧化錐角對(duì)水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)一次進(jìn)水反應(yīng)的影響, 對(duì)水反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)一次進(jìn)水燃燒情況進(jìn)行了建模, 仿真了水反應(yīng)特性和流場(chǎng)特性, 通過(guò)改變鎂粒徑、噴嘴位置和霧化錐角大小, 進(jìn)行了對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明, 水反應(yīng)劇烈的位置液滴揮發(fā)作用也強(qiáng)烈; 溫度場(chǎng)的分布與鎂液滴分布有很大關(guān)聯(lián), 鎂液滴多的位置流場(chǎng)溫度低, 鎂液滴少的位置流場(chǎng)溫度高; 增大鎂粒徑, 水反應(yīng)強(qiáng)烈的區(qū)域向后移動(dòng); 霧化錐角影響流場(chǎng)特性; 不同鎂粒徑條件下噴嘴最合適霧化錐角和位置不同。

水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī); 一次進(jìn)水; 霧化錐角; 流場(chǎng)特性; 數(shù)值仿真

0 引言

金屬燃料水反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)是一種新型水下推進(jìn)裝置[1-2], 其工作過(guò)程為: 點(diǎn)火后, 增速段固體推進(jìn)劑燃燒, 在熱反饋?zhàn)饔孟陆饘偃剂祥_(kāi)始熱解, 生成富含凝相或氣相金屬組分的熱解氣體; 增速段固體推進(jìn)劑燃燒結(jié)束后, 燃燒室壓強(qiáng)下降, 海水依靠魚(yú)雷高速航行產(chǎn)生的流體動(dòng)壓進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī), 一部分進(jìn)入燃燒室, 與熱解產(chǎn)生的金屬組分反應(yīng), 另一部分進(jìn)入摻混室, 吸收熱量汽化, 增加做功工質(zhì); 燃燒產(chǎn)物經(jīng)拉瓦爾噴管高速排出, 產(chǎn)生反作用推力, 推動(dòng)魚(yú)雷高速航行[3]。

固體燃料的熱解過(guò)程主要取決于燃燒區(qū)對(duì)固體燃料表面的熱反饋, 熱反饋越多, 熱解越快, 噴射效率越高。固體燃料對(duì)燃燒區(qū)的質(zhì)量傳遞是流場(chǎng)燃燒反應(yīng)得以進(jìn)行的前提, 氣相組分含量越多, 質(zhì)量比越接近化學(xué)當(dāng)量比, 組分之間擴(kuò)散混合得越均勻, 燃燒越完善。當(dāng)固體燃料的金屬含量較高時(shí), 氧化劑含量很少, 燃料熱解幾乎完全依靠熱解產(chǎn)物與水反應(yīng)燃燒放出的熱量, 燃料熱解與燃燒過(guò)程強(qiáng)烈耦合。流場(chǎng)水反應(yīng)充分是發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)現(xiàn)的前提, 水反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中, 水作為氧化劑通過(guò)噴嘴進(jìn)入燃燒室內(nèi), 與燃料藥柱熱解產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng), 一次進(jìn)水對(duì)流場(chǎng)影響很大。一次進(jìn)水參數(shù)包括一次水燃比、一次進(jìn)水角度、水液滴直徑和霧化錐角等, 國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)水反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)一次水燃比、一次進(jìn)水角度和水液滴直徑進(jìn)行了研究[4-6], 而對(duì)于水反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)霧化錐角的研究未見(jiàn)報(bào)道。本文對(duì)水反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)一次進(jìn)水燃燒情況進(jìn)行了建模, 對(duì)高金屬含量水反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)一次進(jìn)水霧化錐角進(jìn)行了數(shù)值仿真。

1 仿真建模

1.1 鎂水反應(yīng)工況

為研究不同鎂粒徑、噴嘴位置和霧化錐角條件下流場(chǎng)特性的變化規(guī)律, 采用數(shù)值計(jì)算方法仿真水反應(yīng)過(guò)程。燃燒室壓力為2.5 MPa, 取從藥柱后端到長(zhǎng)尾管前端的部分進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。由藥柱熱解速率計(jì)算出進(jìn)入流場(chǎng)的富含凝相或氣相金屬組分的熱解氣體, 即流場(chǎng)入口金屬燃料流量。設(shè)置4個(gè)噴嘴周向均勻分布。流場(chǎng)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)示意圖

1.2 模型建立

模型計(jì)算采取以下假設(shè): 流場(chǎng)為3D定常多相反應(yīng)流場(chǎng); 鎂粒子和水滴與壁面的碰撞為彈性碰撞, 不考慮粒子聚合和分裂; 流場(chǎng)內(nèi)氣體為理想氣體, 符合其狀態(tài)方程; 不考慮重力影響。

1) 連續(xù)相模型

2) 離散相模型

鎂、水液滴的運(yùn)動(dòng)采用拉格朗日顆粒軌道模型進(jìn)行描述, 控制方程

3) 液滴霧化蒸發(fā)模型

噴嘴出口液滴的平均直徑按下式估算[3]

應(yīng)用液滴蒸發(fā)理論建立液滴蒸發(fā)速率模型, 假定蒸發(fā)過(guò)程是球?qū)ΨQ的, 液滴內(nèi)部物理狀態(tài)均勻, 邊界層厚度可以采用折算薄膜理論計(jì)算。液滴加熱模型控制方程為

液滴蒸發(fā)模型用如下方程描述

4) 燃燒模型

采用物質(zhì)輸送和渦耗散模型模擬組分輸運(yùn)及鎂和水的化學(xué)反應(yīng)。守恒方程采用以下通用形式

流場(chǎng)中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為鎂與水的反應(yīng), 其反應(yīng)方程式為

Mg+H2O=MgO+H2

燃燒為湍流燃燒時(shí), 需要考慮湍流作用對(duì)反應(yīng)速率的影響, 因此采用渦耗散模型, 反應(yīng)速率取決于渦團(tuán)中包含燃料、氧化劑和產(chǎn)物中濃度最小的一個(gè)。該模型的表達(dá)式為

2 仿真結(jié)果與分析

流場(chǎng)中影響鎂水反應(yīng)的因素有鎂粒徑、噴嘴位置和噴嘴霧化錐角等。任何一個(gè)因素的變化都會(huì)改變流場(chǎng)中反應(yīng)情況, 且每個(gè)因素都會(huì)影響其他因素對(duì)反應(yīng)的作用, 故各因素之間關(guān)系復(fù)雜。

2.1 霧化錐角與流場(chǎng)特性分析

2.1.1 特定霧化錐角下流場(chǎng)特性

特定霧化錐角下入口鎂液滴為某大小粒徑, 噴嘴噴入水液滴粒徑0.1 mm,溫度298.15 K,速度25 m/s,水反應(yīng)情況見(jiàn)圖2(圖中截面從左到右依次是=30,=100,=200,=300,=400和出口截面)。

由圖2(a)和(b)可知, 反應(yīng)強(qiáng)烈的位置溫度并不高, 該位置主要在水噴射路徑附近較小范圍, 此處也是水液滴和鎂液滴大量汽化的位置。鎂水反應(yīng)放出大量的熱, 被水液滴和鎂液滴吸收, 使液滴升溫氣化, 使得鎂水氣化和反應(yīng)持續(xù)發(fā)生。

圖2 特定霧化錐角加入某種粒徑鎂液滴時(shí)流場(chǎng)特性

分析圖2(c)和(d)可知, 水噴射路徑附近較大范圍都存在一定濃度的水蒸氣, 說(shuō)明水液滴蒸發(fā)后一部分參與鎂水反應(yīng), 另一部分向周圍擴(kuò)散。鎂的沸點(diǎn)遠(yuǎn)高于水, 單位質(zhì)量的鎂氣化潛熱也遠(yuǎn)高于水(約是水的2.4倍), 鎂的氣化滯后于水, 且氣化后能與水立即反應(yīng), 水噴射路徑附近的鎂液滴在燃燒室前端部分氣化并發(fā)生反應(yīng), 形成了圖2(e)中的中空結(jié)構(gòu)。

在水液滴不能到達(dá)的區(qū)域, 水蒸氣較少, 鎂水反應(yīng)較少, 此處放熱量、溫度和鎂的氣化量也較低, 鎂液滴的蒸發(fā)較慢。

溫度場(chǎng)的分布與鎂粒徑分布有較大關(guān)聯(lián), 鎂的氣化潛熱大, 氣化吸熱多, 氣化發(fā)生在液滴表面, 液滴多的地方溫度低, 流場(chǎng)前段鎂液滴較多, 溫度較低, 流場(chǎng)后段鎂液滴少的區(qū)域溫度高。

流場(chǎng)前部不臨近區(qū)域的鎂水不能相遇發(fā)生反應(yīng),且擴(kuò)散慢,臨近尾端流場(chǎng)截面不斷變小,因湍流混合作用加強(qiáng)相互靠近, 其中的鎂水發(fā)生反應(yīng)。只有少量鎂和水以液滴或蒸汽的形式進(jìn)入長(zhǎng)尾管。

2.1.2 增大霧化錐角時(shí)流場(chǎng)特性

霧化錐角增大2°時(shí)流場(chǎng)特性如圖3所示。

圖3 霧化錐角增大2°時(shí)流場(chǎng)特性

霧化錐角較大時(shí), 水液滴在流場(chǎng)中軸線附近匯集, 流場(chǎng)中軸線附近水液滴較多, 水蒸氣濃度較大, 溫度較低, 反應(yīng)速率低, 流場(chǎng)前段鎂水反應(yīng)主要分布在壁面附近, 而流場(chǎng)后段鎂水反應(yīng)主要分布在流場(chǎng)中軸線附近。流場(chǎng)末端中心處部分水液滴和鎂液滴揮發(fā)較少或未揮發(fā)。

2.1.3 減小霧化錐角時(shí)流場(chǎng)特性

霧化錐角減小2°時(shí)流場(chǎng)特性見(jiàn)圖4。霧化錐角較小時(shí), 流場(chǎng)中軸線和壁面附近處水液滴較少, 水蒸氣濃度較低, 靠近中軸線的環(huán)行區(qū)域內(nèi)溫度較高, 流場(chǎng)前段鎂水反應(yīng)速率分布較均勻, 而在流場(chǎng)后段鎂水反應(yīng)濃度速率主要在流場(chǎng)中部和靠近壁面處。流場(chǎng)末端壁面附近部分鎂液滴揮發(fā)較少或未揮發(fā)。

一定粒徑的鎂液滴, 隨著霧化錐角從無(wú)限小開(kāi)始增大, 鎂水反應(yīng)量先增多后減少, 流場(chǎng)特性先變好后變差, 噴嘴霧化錐角存在最合適大小。

2.2 鎂粒徑/噴嘴位置對(duì)霧化錐角的影響

2.2.1 鎂粒徑的影響

為了研究其他因素如何影響霧化錐角對(duì)水反應(yīng)的作用, 將鎂粒徑增大50%, 其他條件不變, 流場(chǎng)特性見(jiàn)圖5。增大鎂粒徑后, 鎂液滴蒸發(fā)量降低了很多, 鎂在流場(chǎng)前段的反應(yīng)較少, 水液滴在中軸線附近匯集, 該處溫度較低, 反應(yīng)濃度在流場(chǎng)中間較低, 鎂水反應(yīng)主要在燃燒室壁面附近發(fā)生, 有較多液滴未在燃燒室發(fā)生水反應(yīng)。因此, 增大鎂粒徑后, 噴嘴霧化錐角和位置不再適合。

圖4 霧化錐角減小2°時(shí)流場(chǎng)特性

為此, 將噴嘴霧化錐角減小, 流場(chǎng)中部反應(yīng)仍然較少, 中軸線附近液滴揮發(fā)慢, 有較多液滴未揮發(fā), 流場(chǎng)特性未明顯改善。

2.2.2 噴嘴位置的影響

噴嘴位置距離燃燒室壁面較大時(shí), 4個(gè)噴嘴噴出的水液滴在中軸線附近聚集, 不利于水的蒸發(fā), 由于水蒸發(fā)的吸熱作用, 中軸線附近的溫度也較低, 使得鎂液滴在此處難于蒸發(fā)和反應(yīng), 導(dǎo)致流場(chǎng)中心大量鎂液滴和水液滴直接從出口處流出進(jìn)入長(zhǎng)尾管。噴嘴霧化錐角較大時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。適當(dāng)使噴嘴位置靠近壁面有利于降低燃燒室壁面的溫度。噴嘴霧化錐角較小時(shí), 水液滴不能散布開(kāi)來(lái), 不利于水和鎂的摻混, 反應(yīng)發(fā)生的范圍較小, 導(dǎo)致放熱量也少, 未能氣化而進(jìn)入長(zhǎng)尾管的鎂液滴增多。

2.2.3 各因素的耦合影響

為改善流場(chǎng)特性, 將霧化錐角減小1°, 噴嘴位置距壁面距離減小2 mm, 水反應(yīng)情況見(jiàn)圖6。

圖5 鎂液滴粒徑增大50%時(shí)流場(chǎng)特性

圖6 霧化錐角減小1°,距壁面距離減小2 mm時(shí)流場(chǎng)特性

將噴嘴霧化錐角減小同時(shí)將其位置向壁面處移動(dòng), 水液滴在中軸線處未匯集, 反應(yīng)分布相對(duì)均勻, 流場(chǎng)溫度分布也更均勻, 水液滴和鎂液滴的揮發(fā)和反應(yīng)也較充分。因此不同鎂粒徑條件下, 最合適的噴嘴霧化錐角和噴嘴位置是不同的。

3 結(jié)論

1) 一定霧化錐角下, 溫度場(chǎng)的分布與鎂液滴分布有較大關(guān)聯(lián), 流場(chǎng)前段鎂液滴較多, 溫度場(chǎng)較低, 流場(chǎng)后段鎂液滴少的區(qū)域溫度高; 當(dāng)增大鎂粒徑時(shí), 鎂的蒸發(fā)變慢, 水反應(yīng)的集中區(qū)域向流場(chǎng)下游移動(dòng), 流場(chǎng)溫度降低, 燃燒室出口處鎂液滴和水液滴的數(shù)量增多。2) 不同霧化錐角下的流場(chǎng)特性不同, 存在最佳霧化錐角。3) 不同鎂粒徑條件下, 噴嘴最合適霧化錐角和位置不同。鎂粒徑變化時(shí), 改變噴嘴霧化錐角和噴嘴位置可以優(yōu)化流場(chǎng)特性。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Numerical Simulation of Hydroreactive Metal Fuel Ramjet Spray Angle for Once Water Penetration

FENG Yao-feiYI Yin, SHI Xiao-feng, HAN Xing-bo, QIAO Hong, XIAO Bo

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710075, China)

To investigate the influence of spray angle on once water penetration reaction in hydroreactive metal fuel ramjet,a once water penetration combustion model of hydroreactive metal fuel ramjet is built and simulated. The hydroreactive characteristics and the flow field characteristics are analyzed. The diameter of magnesium particles, and the nozzle′s location and spray angle are changed for comparative analysis. The results indicate that: in the position where hydro-reaction is fierce, the volatilization of water drops is fierce; the temperature distribution of flow field is related to the magnesium drops, i.e. the temperature of flow field is lower in the position with more magnesium drops, while the temperature is higher in the position with less magnesium drops; the increase in diameter of magnesium particles results in a backward movement of the fierce hydroreactive region; spray angle has an effect on flow field characteristics; and different magnesium particle diameter corresponds to different optimum spray angle and location of nozzle.

hydroreactive metal fuel ramjet; once water penetration; spray angle; flow field characteristics; numerical simulation

TJ630.32; TJ631.2

A

1673-1948(2014)06-0447-06

2014-08-19;

2014-09-01.

馮要飛(1988-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)轸~(yú)雷熱動(dòng)力技術(shù)