水反應金屬燃料發動機一次進水霧化錐角數值仿真

馮要飛, 伊 寅, 史小鋒, 韓新波, 喬 宏, 肖 波

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水反應金屬燃料發動機一次進水霧化錐角數值仿真

馮要飛1,2, 伊 寅1, 史小鋒1, 韓新波1, 喬 宏1, 肖 波1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710075)

為了研究霧化錐角對水反應金屬燃料發動機一次進水反應的影響, 對水反應發動機一次進水燃燒情況進行了建模, 仿真了水反應特性和流場特性, 通過改變鎂粒徑、噴嘴位置和霧化錐角大小, 進行了對比分析。仿真結果表明, 水反應劇烈的位置液滴揮發作用也強烈; 溫度場的分布與鎂液滴分布有很大關聯, 鎂液滴多的位置流場溫度低, 鎂液滴少的位置流場溫度高; 增大鎂粒徑, 水反應強烈的區域向后移動; 霧化錐角影響流場特性; 不同鎂粒徑條件下噴嘴最合適霧化錐角和位置不同。

水反應金屬燃料發動機; 一次進水; 霧化錐角; 流場特性; 數值仿真

0 引言

金屬燃料水反應發動機是一種新型水下推進裝置[1-2], 其工作過程為: 點火后, 增速段固體推進劑燃燒, 在熱反饋作用下金屬燃料開始熱解, 生成富含凝相或氣相金屬組分的熱解氣體; 增速段固體推進劑燃燒結束后, 燃燒室壓強下降, 海水依靠魚雷高速航行產生的流體動壓進入發動機, 一部分進入燃燒室, 與熱解產生的金屬組分反應, 另一部分進入摻混室, 吸收熱量汽化, 增加做功工質; 燃燒產物經拉瓦爾噴管高速排出, 產生反作用推力, 推動魚雷高速航行[3]。

固體燃料的熱解過程主要取決于燃燒區對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。固體燃料對燃燒區的質量傳遞是流場燃燒反應得以進行的前提, 氣相組分含量越多, 質量比越接近化學當量比, 組分之間擴散混合得越均勻, 燃燒越完善。當固體燃料的金屬含量較高時, 氧化劑含量很少, 燃料熱解幾乎完全依靠熱解產物與水反應燃燒放出的熱量, 燃料熱解與燃燒過程強烈耦合。流場水反應充分是發動機性能實現的前提, 水反應發動機工作過程中, 水作為氧化劑通過噴嘴進入燃燒室內, 與燃料藥柱熱解產物發生反應, 一次進水對流場影響很大。一次進水參數包括一次水燃比、一次進水角度、水液滴直徑和霧化錐角等, 國內學者對水反應發動機一次水燃比、一次進水角度和水液滴直徑進行了研究[4-6], 而對于水反應發動機霧化錐角的研究未見報道。本文對水反應發動機一次進水燃燒情況進行了建模, 對高金屬含量水反應發動機一次進水霧化錐角進行了數值仿真。

1 仿真建模

1.1 鎂水反應工況

為研究不同鎂粒徑、噴嘴位置和霧化錐角條件下流場特性的變化規律, 采用數值計算方法仿真水反應過程。燃燒室壓力為2.5 MPa, 取從藥柱后端到長尾管前端的部分進行流場計算。由藥柱熱解速率計算出進入流場的富含凝相或氣相金屬組分的熱解氣體, 即流場入口金屬燃料流量。設置4個噴嘴周向均勻分布。流場示意圖見圖1。

圖1 水反應金屬燃料發動機流場示意圖

1.2 模型建立

模型計算采取以下假設: 流場為3D定常多相反應流場; 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; 流場內氣體為理想氣體, 符合其狀態方程; 不考慮重力影響。

1) 連續相模型

2) 離散相模型

鎂、水液滴的運動采用拉格朗日顆粒軌道模型進行描述, 控制方程

3) 液滴霧化蒸發模型

噴嘴出口液滴的平均直徑按下式估算[3]

應用液滴蒸發理論建立液滴蒸發速率模型, 假定蒸發過程是球對稱的, 液滴內部物理狀態均勻, 邊界層厚度可以采用折算薄膜理論計算。液滴加熱模型控制方程為

液滴蒸發模型用如下方程描述

4) 燃燒模型

采用物質輸送和渦耗散模型模擬組分輸運及鎂和水的化學反應。守恒方程采用以下通用形式

流場中發生的主要化學反應為鎂與水的反應, 其反應方程式為

Mg+H2O=MgO+H2

燃燒為湍流燃燒時, 需要考慮湍流作用對反應速率的影響, 因此采用渦耗散模型, 反應速率取決于渦團中包含燃料、氧化劑和產物中濃度最小的一個。該模型的表達式為

2 仿真結果與分析

流場中影響鎂水反應的因素有鎂粒徑、噴嘴位置和噴嘴霧化錐角等。任何一個因素的變化都會改變流場中反應情況, 且每個因素都會影響其他因素對反應的作用, 故各因素之間關系復雜。

2.1 霧化錐角與流場特性分析

2.1.1 特定霧化錐角下流場特性

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,水反應情況見圖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, 反應強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持續發生。

圖2 特定霧化錐角加入某種粒徑鎂液滴時流場特性

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, 說明水液滴蒸發后一部分參與鎂水反應, 另一部分向周圍擴散。鎂的沸點遠高于水, 單位質量的鎂氣化潛熱也遠高于水(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, 水噴射路徑附近的鎂液滴在燃燒室前端部分氣化并發生反應, 形成了圖2(e)中的中空結構。

在水液滴不能到達的區域, 水蒸氣較少, 鎂水反應較少, 此處放熱量、溫度和鎂的氣化量也較低, 鎂液滴的蒸發較慢。

溫度場的分布與鎂粒徑分布有較大關聯, 鎂的氣化潛熱大, 氣化吸熱多, 氣化發生在液滴表面, 液滴多的地方溫度低, 流場前段鎂液滴較多, 溫度較低, 流場后段鎂液滴少的區域溫度高。

流場前部不臨近區域的鎂水不能相遇發生反應,且擴散慢,臨近尾端流場截面不斷變小,因湍流混合作用加強相互靠近, 其中的鎂水發生反應。只有少量鎂和水以液滴或蒸汽的形式進入長尾管。

2.1.2 增大霧化錐角時流場特性

霧化錐角增大2°時流場特性如圖3所示。

圖3 霧化錐角增大2°時流場特性

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

2.1.3 減小霧化錐角時流場特性

霧化錐角減小2°時流場特性見圖4。霧化錐角較小時, 流場中軸線和壁面附近處水液滴較少, 水蒸氣濃度較低, 靠近中軸線的環行區域內溫度較高, 流場前段鎂水反應速率分布較均勻, 而在流場后段鎂水反應濃度速率主要在流場中部和靠近壁面處。流場末端壁面附近部分鎂液滴揮發較少或未揮發。

一定粒徑的鎂液滴, 隨著霧化錐角從無限小開始增大, 鎂水反應量先增多后減少, 流場特性先變好后變差, 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水反應的作用, 將鎂粒徑增大50%, 其他條件不變, 流場特性見圖5。增大鎂粒徑后, 鎂液滴蒸發量降低了很多, 鎂在流場前段的反應較少, 水液滴在中軸線附近匯集, 該處溫度較低, 反應濃度在流場中間較低, 鎂水反應主要在燃燒室壁面附近發生, 有較多液滴未在燃燒室發生水反應。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°時流場特性

為此, 將噴嘴霧化錐角減小, 流場中部反應仍然較少, 中軸線附近液滴揮發慢, 有較多液滴未揮發, 流場特性未明顯改善。

2.2.2 噴嘴位置的影響

噴嘴位置距離燃燒室壁面較大時, 4個噴嘴噴出的水液滴在中軸線附近聚集, 不利于水的蒸發, 由于水蒸發的吸熱作用, 中軸線附近的溫度也較低, 使得鎂液滴在此處難于蒸發和反應, 導致流場中心大量鎂液滴和水液滴直接從出口處流出進入長尾管。噴嘴霧化錐角較大時也會出現這種現象。適當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, 水液滴不能散布開來, 不利于水和鎂的摻混, 反應發生的范圍較小, 導致放熱量也少, 未能氣化而進入長尾管的鎂液滴增多。

2.2.3 各因素的耦合影響

為改善流場特性, 將霧化錐角減小1°, 噴嘴位置距壁面距離減小2 mm, 水反應情況見圖6。

圖5 鎂液滴粒徑增大50%時流場特性

圖6 霧化錐角減小1°,距壁面距離減小2 mm時流場特性

將噴嘴霧化錐角減小同時將其位置向壁面處移動, 水液滴在中軸線處未匯集, 反應分布相對均勻, 流場溫度分布也更均勻, 水液滴和鎂液滴的揮發和反應也較充分。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 結論

1) 一定霧化錐角下, 溫度場的分布與鎂液滴分布有較大關聯, 流場前段鎂液滴較多, 溫度場較低, 流場后段鎂液滴少的區域溫度高; 當增大鎂粒徑時, 鎂的蒸發變慢, 水反應的集中區域向流場下游移動, 流場溫度降低, 燃燒室出口處鎂液滴和水液滴的數量增多。2) 不同霧化錐角下的流場特性不同, 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, 改變噴嘴霧化錐角和噴嘴位置可以優化流場特性。

[1] Miller T F, Herr J D. Green Rocket Propulsion by Reaction of Al and Mg Powders and Water[R]. AIAA 2004-4037.

[2] 鄭邯勇. 鋁水推進系統的現狀與發展前景[J]. 艦船科學技術, 2003, 25(5): 24-25.

Zheng Han-yong. Development of the Aluminum-water Power System[J].Ship Science and Technology,2003,25(5): 24-25.

[3] 趙衛兵,史小鋒,伊寅,等.水反應金屬燃料在超高速魚雷推進系統中的應用[J].火炸藥學報,2006,29(5): 53-56.Zhao Wei-bing, Shi Xiao-feng, Yi Yin, et al. Application of Hydroreactive Metal Fuel in Super-cavitation Torpedo Propulsion System[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2006, 29(5): 53-56.

[4] 黃利亞, 夏智勛, 張為華, 等. 水沖壓發動機試驗水燃比選擇方法[J]. 航空學報, 2010, 31(9): 1740-1745.Huang Li-ya, Xia Zhi-xun, Zhang Wei-hua, et al. Fuel Ratio Selection Method in Water Ramjet Engine Test[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2010, 31(9): 1740-1745.

[5] 韓超,夏智勛, 胡建新, 等. 一次進水角度對水沖壓發動機比沖性能影響研究[J].固體火箭技術, 2009, 32(5): 496-499. Han Chao, Xia Zhi-xun, Hu Jian-xin, et al. Effect of Primary Water Penetration Angle on Specific Impulse of Water Ramjet[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2009, 32(5): 496-499.

[6] 韓超, 夏智勛, 胡建新. 水沖壓發動機燃燒穩定性數值研究[J]. 火箭推進, 2008, 34(6): 27-30. Han Chao, Xia Zhi-xun, Hu Jian-xin. Numerical Study on Combustion Stability for Water Ramjet[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2008, 34(6): 27-30.

(責任編輯: 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, 主要研究方向為魚雷熱動力技術