一次水燃比對高金屬含量鎂基推進劑水沖壓發(fā)動機比沖性能影響分析

晁 侃, 牛 楠, 陸賀建

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一次水燃比對高金屬含量鎂基推進劑水沖壓發(fā)動機比沖性能影響分析

晁 侃, 牛 楠, 陸賀建

(西安航天動力技術(shù)研究所, 陜西西安, 710025)

為了進一步提升水沖壓發(fā)動機比沖性能, 基于渦耗散燃燒模型, 建立了高金屬含量鎂基推進劑水沖壓發(fā)動機3D多相流摻混燃燒反應(yīng)模型, 獲得了不同進水比例對補燃室內(nèi)溫度分布、組分變化以及發(fā)動機比沖等參數(shù)的影響規(guī)律, 計算結(jié)果與地面試驗基本吻合。研究結(jié)果表明, 一次水燃比對高金屬含量水沖壓發(fā)動機的性能影響明顯, 隨著一次水燃比的不斷增大, 發(fā)動機比沖呈現(xiàn)出先增后減的情況, 存在某個最佳的一次水燃比, 發(fā)動機比沖性能最高。

水沖壓發(fā)動機; 高金屬含量推進劑; 一次水燃比; 比沖

0 引言

水沖壓發(fā)動機具備能量密度高、比沖大、結(jié)構(gòu)簡單以及可靠性高等特點, 是目前超高速魚雷巡航主推進系統(tǒng)的理想選擇[1-4], 而其之所以沒有廣泛普及, 原因在于鋁水燃燒反應(yīng)難以啟動和持續(xù)穩(wěn)定工作。在金屬與水反應(yīng)過程中, Al、Mg或者合金粉末是常用的金屬燃料。相比于Al金屬熔點高、易氧化的特點[5], Mg與水反應(yīng)啟動溫度低, 容易發(fā)生燃燒反應(yīng), 是目前國內(nèi)比較成熟的水沖壓發(fā)動機高金屬含量推進劑的首選。

水沖壓發(fā)動機推進劑一次燃燒后形成富含金屬的高溫燃氣, 外部的水作為氧化劑通過霧化噴嘴形成微米級的小液滴進入發(fā)動機補燃室內(nèi)部, 受熱蒸發(fā)后與高溫一次燃氣中的金屬發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng), 從而使發(fā)動機產(chǎn)生推力。文獻[6]~[8]設(shè)計了粉末供應(yīng)系統(tǒng)及金屬/水燃燒器, 進行了鋁粉、鎂粉與水蒸氣燃燒的對比試驗。在水沖壓發(fā)動機中, 燃燒室長度及一次/二次進水距離的設(shè)計[9]、噴嘴霧化參數(shù)[10]、一次進水角度[11]、水燃比[12-13]等參數(shù)均對發(fā)動機比沖性能的提升至關(guān)重要, 但上述研究多數(shù)均是針對低金屬含量推進劑開展研究, 其發(fā)動機比沖性能較低。在近期的高金屬含量鎂基推進劑水沖壓地面性能試驗中發(fā)現(xiàn), 通過調(diào)整合適的一次水燃比(一次進水區(qū)域的進水流量與燃氣流量的比值)對水沖壓發(fā)動機比沖效率的提升非常明顯, 因此研究不同的一次水燃比對高金屬含量水沖壓發(fā)動機溫度、組分變化以及比沖效率的影響規(guī)律是十分有必要的。

文中試驗發(fā)動機采用燃氣發(fā)生器形式, 推進劑選用鎂基高金屬含量推進劑, 發(fā)動機結(jié)構(gòu)如圖1所示, 通過數(shù)值仿真進行了補燃室內(nèi)燃燒流動的計算分析, 并通過部分地面試驗對上述數(shù)值計算進行驗證, 得到一次水燃比對于水沖壓發(fā)動機內(nèi)溫度分布、組分變化以及比沖效率的影響規(guī)律, 為水沖壓結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和性能提升提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

水沖壓發(fā)動機內(nèi)含有氣相、液相、固相成分的貧氧燃氣經(jīng)過燃氣發(fā)生器噴口噴入補燃室, 水以水霧形式進入補燃室, 補燃室內(nèi)存在復(fù)雜的傳質(zhì)和傳熱過程; 在高溫氣流作用下, 水霧蒸發(fā)形成水蒸氣, 在補燃室中與金屬粒子發(fā)生摻混燃燒反應(yīng), 燃燒產(chǎn)物及中間產(chǎn)物可能有幾十種之多, 難以獲得詳盡的化學(xué)反應(yīng)動力參數(shù)。湍流流動與化學(xué)反應(yīng)存在強烈的相互影響; 要完全模擬補燃室中的燃燒流動過程是不可能的, 必須針對特定的研究目的進行如下適當(dāng)?shù)暮喕幚?

1) 氣體為理想氣體;

2) 只選取了燃氣中的主要成分進行化學(xué)反應(yīng)過程的模擬, 由于一次燃燒產(chǎn)物組分較多, 計算中忽略質(zhì)量分數(shù)較小的組分, 簡化后組分為H2、N2、MgCl2、Mg、C和MgO等;

3) Mg、C等燃燒反應(yīng)符合阿雷尼烏斯定律。

1.1 氣相控制方程

根據(jù)物理假設(shè)和流體力學(xué)中的質(zhì)量、動量、能量、組分和RNG湍流模型, 補燃室內(nèi)部3D氣相控制方程為

1.2 液滴運動軌跡

數(shù)值計算中, 通過壓力-旋流霧化噴嘴模型將霧化進水加入反應(yīng)區(qū)域, 采用隨機模型跟蹤水滴軌跡, 只考慮水滴的阻力, 不考慮重力和其他力的影響, 液滴運動方程為

1.3 燃燒模型

采用渦耗散模型(eddy dissemination model, EDM)模擬水沖壓發(fā)動機補燃室內(nèi)部兩相摻混燃燒, EDM認為化學(xué)反應(yīng)速率不但在很大程度上受湍流影響, 而且與渦團中燃料、氧化劑和產(chǎn)物濃度有關(guān), 根據(jù)此模型, 化學(xué)反應(yīng)速率為

式中:為反應(yīng)物和生成物的濃度;為化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量比;,為常數(shù)項。

2 計算結(jié)果與分析

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型, 針對水沖壓發(fā)動機建立數(shù)值計算模型。發(fā)動機直徑110 mm, 采用鎂基高金屬含量推進劑, 燃氣總質(zhì)量流量0.3 kg/s。

補燃室進口一次燃氣組分見表1。

表1 補燃室進口燃氣質(zhì)量組分

計算中對流項按照迎風(fēng)格式離散, 粘性項按照中心差分格式離散, 燃氣進口采用質(zhì)量入口邊界, 出口采用壓力出口邊界, Mg組分以氣相形式參與反應(yīng), MgO、C以及霧化進水通過離散相形式加入, 通過Fluent求解3D穩(wěn)態(tài)水沖壓補燃室摻混燃燒過程, 為高金屬含量推進劑水沖壓發(fā)動機的設(shè)計和優(yōu)化提供理論參考。數(shù)值計算過程中的霧化噴嘴位置及分布與地面試驗發(fā)動機完全一致, 在總水燃比保持不變的情況下, 數(shù)值計算中可通過改變一次進水區(qū)域內(nèi)的進水量來調(diào)節(jié)一次水燃比, 地面試驗過程中可通過更換不同秒流量的霧化噴嘴來實現(xiàn)一次水燃比的調(diào)節(jié), 從而實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的一次水燃比的變化。

圖3給出了發(fā)動機總水燃比不變的情況時, 不同一次水燃比下補燃室內(nèi)部的溫度分布云圖?？梢钥闯? 在總水燃比保持不變的情況下, 隨著一次水燃比的不斷增大, 補燃室的最高溫度不斷增大。由于鎂水反應(yīng)主要在一次進水區(qū)域發(fā)生, 一次水燃比的不斷增大, 一方面大量的鎂水反應(yīng)釋放熱量, 補燃室局部最高溫度不斷升高, 另一方面由于一次進水量過多, 未參與反應(yīng)的霧化進水汽化吸熱后, 導(dǎo)致對應(yīng)位置的補燃室溫度下降。顯然, 隨著一次水燃比的不斷增大, 一次進水區(qū)域內(nèi)的溫度分布呈現(xiàn)出更大的非均勻性。

圖4給出了發(fā)動機結(jié)構(gòu)尺寸、霧化噴嘴分布及金屬推進劑與數(shù)值計算模型一致的水沖壓發(fā)動機地面性能試驗中實測的補燃室頭部溫度曲線?？梢钥闯? 不同的一次水燃比時, 初始時刻補燃室頭部測點溫度基本一致, 隨著發(fā)動機工作時間的不斷增加, 當(dāng)一次進水過量后, 一次進水區(qū)域內(nèi)鎂水反應(yīng)釋放出的熱量并不足以彌補過量進水汽化所吸收的熱量, 導(dǎo)致補燃室頭部測點溫度不斷降低, 鎂水反應(yīng)效率降低, 發(fā)動機效率下降。

圖5給出了發(fā)動機總水燃比不變的情況下, 不同一次水燃比時補燃室內(nèi)Mg組分的質(zhì)量分數(shù)分布云圖。很明顯地看出, 隨著一次水燃比的不斷增大, Mg金屬參與反應(yīng)的比重不斷增大, 鎂金屬完全反應(yīng)所需要的補燃室長度不斷縮短, 當(dāng)一次水燃比達到1.07后, Mg金屬含量在一次補燃區(qū)域幾乎已經(jīng)完全燃燒完畢, 二次進水區(qū)域內(nèi)的霧化進水幾乎完全不參與反應(yīng), 只是汽化做功。

圖6給出了不同一次水燃比時補燃室軸線上Mg的組分分布, 顯然, 隨著一次水燃比的不斷增大, Mg質(zhì)量分數(shù)下降幅度不斷增大, 一次補燃區(qū)域內(nèi)Mg組分的反應(yīng)量不斷增大, 與圖5吻合。

圖7給出了不同一次水燃比時, 補燃室內(nèi)的H2O組分的質(zhì)量分數(shù)分布云圖, 可以看出, H2O組分分布與Mg分布剛好相反, 且一一對應(yīng)。一次水燃比較小時, 一次進水區(qū)域H2O組分基本完全參與反應(yīng), 隨著一次水燃比的不斷增大, 一次進水區(qū)域內(nèi)的未參與反應(yīng)富余的H2O組分含量不斷增大, 這說明, 當(dāng)一次水燃比過量后, 并不是所有的一次進水均能有效的參與鎂水反應(yīng), 還有一部分霧化進水只是汽化吸熱, 并未參與反應(yīng), 從而導(dǎo)致一次進水區(qū)域內(nèi)的平均溫度降低。

圖8給出了一次水燃比與無量綱化的發(fā)動機比沖的變化曲線?？梢钥闯? 在總水燃比保持不變的情況下, 隨著一次水燃比的不斷增大, 發(fā)動機比沖呈現(xiàn)先增后減的特性。數(shù)值計算一次水燃比達到0.94時, 發(fā)動機比沖最高, 而地面試驗表明, 一次水燃比在1.01時, 發(fā)動機比沖最高, 二者基本吻合, 與文獻[13]的結(jié)果對比表明, 更高的金屬含量推進劑需要匹配更大的一次水燃比。

3 結(jié)論

基于渦耗散燃燒模型建立了高金屬含量鎂基推進劑水沖壓發(fā)動機3D多相流摻混燃燒反應(yīng)模型, 數(shù)值計算得到了一次水燃比對補燃室的溫度變化、組分分布以及發(fā)動機比沖等參數(shù)的影響規(guī)律, 并且與地面性能試驗結(jié)果進行對比, 得到以下結(jié)論:

1) 隨著一次水燃比的不斷增大, 發(fā)動機比沖呈現(xiàn)出先增后減的情況;

2) 存在一個最佳的一次水燃比, 使得發(fā)動機比沖性能最高, 且更高的金屬含量推進劑需要匹配更大的一次水燃比;

3) 數(shù)值計算結(jié)果與地面試驗結(jié)果吻合性好, 表明了數(shù)值計算方法的正確性。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Effect of Primary Water-to-Fuel Ratio on Specific Impulse Performance of Water Ramjet with High Metal Content Propellant

CHAO Kan, NIU Nan, LU He-jian

( Xi′an Aerospace Propulsion Institute, Xi′an 710025, China)

To improve specific impulse performance of a water ramjet, based on eddy-dissipation combustion model, a 3D multi-phase flow non-premixedcombustion reaction model was established for the water ramjet with high metal content magnesium-based propellant. Further, the effects of water-to-fuel ratio on such parameters as temperature distribution and variation of composition in afterburning chamber as well as specific impulse of the water ramjet were obtained, and the calculations are in good agreement with the experiment results. It is shown that the primary water-to-fuel ratio is more important to performance improvement of the water ramjet, and the specific impulse of the water ramjet firstly increases then decreases with the increase of primary water-to-fuel ratio, showing an optimum primary water-to-fuel ratio, at which the water ramjet gains the highest specific impulse.

water ramjet; high metal content propellant; primary water-to-fuel ratio; specific impulse

TJ630.2; V435.23

A

2096-3920(2017)01-0052-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.01.004

2017-01-20;

2017-02-16.

晁 侃(1983-), 男, 博士, 高級工程師, 研究領(lǐng)域為固體火箭發(fā)動機技術(shù).

[引用格式] 晁侃, 牛楠, 陸賀建. 一次水燃比對高金屬含量鎂基推進劑水沖壓發(fā)動機比沖性能影響分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2017, 25(1): 52-56.