水下航行器閉式循環動力系統動態仿真

白 杰, 黨建軍, 羅 凱, 李代金

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水下航行器閉式循環動力系統動態仿真

白 杰, 黨建軍, 羅 凱, 李代金

(西北工業大學航海學院, 陜西西安, 710072)

為研制高能量密度無人水下航行器(UUV)動力系統, 對以Li/SF6為熱源的閉式循環動力系統開展研究。基于質量守恒和能量守恒方程, 將蒸發器及冷凝器進行分區, 建立了移動邊界數學模型, 建立了渦輪機的穩態模型以及集液器的動態模型, 形成了系統的動態模型。通過仿真計算, 獲得了系統工質流量階躍變化條件下的動態響應。仿真結果表明, 蒸發器進口水流量增加時, 管內壓力升高, 出口溫度降低, 渦輪機輸出功率增大, 蒸發器及冷凝器各相區長度改變; 當其流量減小時, 變化規律相反。所建模型可為UUV動力系統設計及控制方案選擇提供參考。

無人水下航行器(UUV); 閉式循環動力系統; 渦輪機; 動態模型; 移動邊界法

0 引言

無人水下航行器(unmanned underwater vehicle, UUV)的性能和作用在很大程度上取決于續航能力, 動力源是其技術發展的主要瓶頸之一[1]。目前, UUV主要使用電動力推進, 具有使用簡便、隱蔽性好、不受海水背壓影響的優勢。然而現有電池的發展技術水平, 制約了動力系統的運行時間。研究人員轉向研究高密度燃料電池或熱電混合動力系統, 期望應用到未來的UUV上[2-3]。

MK50重型魚雷是閉式循環動力系統的典范。然而, 該動力系統僅適合于短時間、高功率的工況。對于需要長時間、低功率運行的輕型UUV, 容易導致反應器噴嘴堵塞, 重復啟動困難[4], 因而研究人員期望設計適用于Li/SF6緩慢燃燒的反應器。

美國賓州州立大學的G.M.Faeth[4]研究團隊首次提出“毛細燈芯燃燒”的概念, 通過使用類似蠟燭燈芯的吸液芯, 改變燃燒器結構, 降低反應器放熱功率, 研制了“熱管反應器”概念樣機。美國愛荷華大學的L.D.Chen[5]等進行了Li/SF6燃燒試驗, 獲得了Li緩慢燃燒的燃燒規律, 對反應工況選定給出指導。印度的S. K. Dahikar[6]等采用數值計算方法, 研究了SF6在Li液中燃燒反應, 給出了燃燒反應區域長度的預測方法。哈爾濱工程大學劉曉瑜[7]等開展了Li/SF6無吸液芯的燃燒反應數值計算研究, 給出了燃燒反應溫度、速度流場分布。黃慶[8]等開展了Li/ SF6的緩慢燃燒試驗研究, 結果可為燃燒器及吸液芯設計提供依據。

現有研究主要集中在Li/SF6熱管反應器設計及試驗上, 缺乏針對閉式循環動力系統的熱力計算模型, 限制了系統的研制進程。因此, 開展針對系統的熱力計算建模和仿真, 獲得系統變工況動態特性, 對于研制小型UUV動力系統有重要意義。

1 系統模型

1.1 系統構型

文中研究的適用于小型UUV的動力系統方案如圖1所示。

鍋爐內部設置金屬絲網, 下端部分浸沒到燃料Li中。系統啟動后, 金屬絲網通過毛細力將液態Li提升至反應區域, 與通入的SF6氣體反應。生成的熱量將鍋爐反應器外側蒸發器中的水加熱至過熱蒸汽狀態。過熱蒸汽在微型渦輪機中膨脹做功, 進而帶動發電機發電, 完成能量轉換過程。乏汽經過殼體冷凝器冷凝后由水泵加壓進入蒸發器, 進入下一循環。反應過程中, 生成物LiF和Li2S密度大于Li, 沉于鍋爐反應器中, 不需排出體外。整個動力系統能量密度高, 啟動性好, 無產物排放, 不受海水深度影響, 滿足小型UUV對動力系統的低輸出功率和長工作時間的要求。

1.2 系統動態仿真建模策略

獲得動力系統在變工況條件下的動態特性, 是提出控制策略的前提。在此之前, 需要建立穩態計算模型, 獲得設計點工況參數。

動態仿真的難點是系統部件模型的建立和仿真算法的實現。建立能夠反映變工況過程中工質在螺旋盤管蒸發器和冷凝器中的相變換熱模型是難點所在。考慮到系統仿真速度和仿真精度, 文中采用移動邊界模型法[9-13]對蒸發器及冷凝器建模。在此基礎上, 聯立其他各部件模型方程, 構成了一個完整的系統模型。

2 數學建模

文中,,,,,,,,,,,分別代表面積、長度、周長、比焓、質量、壓強、單位長度換熱功率、密度、換熱系數、空隙率、滑移率、效率; 下標,,,,,,,,,,,分別代表鍋爐、噴嘴、蒸發器(螺旋盤管)、進口、出口、高壓區、液相、兩相、氣相、壁面、飽和、平均。

2.1 鍋爐建模

進入鍋爐內部的SF6流量, 完全反應放熱功率為, 蒸發器吸收熱功率, 反應器內部氣體溫度, 比熱, 質量, 其能量平衡方程

2.2 蒸發器建模

換熱器中同時存在著兩相區和單相區。由于動態模型中, 各相區的長度是動態變化的, 兩相區和單相區之間的分界點不易捕捉, 若采用分布參數模型對各相區分別進行網格劃分, 建模過程將十分復雜; 此外, 由于兩相流體和單相流體的傳熱和流動特性相差較大, 若采用簡單的單節點集總參數模型, 即不同相區的計算模型相同, 仿真精度將難以保證[13]。

在結合二者各自特點, 采用分區集總參數方法, 將各相區的長度作為求解變量, 動態跟蹤兩相區和單相區之間邊界位置, 對各相區分別建立移動邊界模型, 且在模型建立過程中作如下簡化假設: 1) 工質在換熱管內為一維流動; 2) 忽略工質在換熱管中的壓降損失; 3) 兩相區計算時采用平均空隙率理論; 4) 忽略工質和換熱管的軸向導熱。

對于基本的控制體, 其示意圖如圖2所示。沿流動方向設置坐標軸軸, 其中長度變量和是進出口截面上的坐標。

通過定截面積的控制體的1D換熱問題, 存在質量連續關系

能量平衡關系

(3)

對于單相區, 平均溫度為對數平均值, 兩相區為飽和溫度, 工質與壁面單位長度換熱功率

將各相區相關變量代入式(2)和式(3), 進行方程的化簡。

蒸發器液相過冷區的質量守恒方程

液相過冷區的能量守恒方程

(6)

兩相蒸發區的平均密度

其中, 兩相蒸發區的平均空隙率為

(8)

兩相蒸發區中滑移率

兩相蒸發區的質量守恒方程

(10)

兩相蒸發區的能量守恒方程

對于氣相過熱區, 因蒸發器的響應時間很小, 可將氣相過熱區按照準穩態方法處理, 其質量守恒方程

(12)

由能量守恒方程可以得出氣相過熱區的出口溫度

2.3 渦輪機建模

由于從系統角度仿真計算時, 并不需要準確反映渦輪機內部工作過程, 只需要求解反映主要性能的參數。另外, 該方案采用的微型渦輪機與換熱器相比動態過程的時間常數較小, 所以, 可以采用穩態模型計算。

渦輪機進口參數為蒸發器出口參數, 其采用微型縮放噴嘴用于蒸汽的膨脹加速。由于噴嘴的作用, 蒸汽在喉部達到臨界狀態, 蒸發器出口蒸汽的流量與溫度、壓力存在耦合關系。

渦輪機的輸出功率

近年來2型糖尿病及其所引起的并發癥的發病率明顯上升，糖尿病性骨質疏松癥即是一種十分常見的骨科疾病，據世界衛生組織的一項統計顯示，全球目前大約有糖尿病患者3.47億，而合并有骨質疏松癥的比率為約50%～60%[1] 。當出現糖尿病性骨質疏松癥后，患者發生骨折的風險明顯增加，生活質量進一步下降，勞動能力減弱[2] ，故而需要積極的干預和治療。筆者近年來采用中西醫結合治療糖尿病性骨質疏松癥，取得較好的效果，現報告如下。

2.4 冷凝器建模

冷凝器與蒸發器建模方法相同, 采用式(2) ~式(4)建模, 在此不再贅述。

2.5 恒壓集液器建模

恒壓集液器在系統中起儲存工質及緩沖作用。其質量變化關系

對集液器采取保溫措施, 忽略其向外散熱量, 其能量守恒數學模型為

由于該系統著重研究水泵流量階躍變化時系統的動態性能, 不研究水泵的內部工作過程, 在此不再對水泵進行建模, 系統模型建立完畢。

3 動態仿真分析

表1 仿真計算輸入參數

表2 仿真初始穩態值

以上仿真結果體現了變工況過程中泵流量階躍變化時系統關鍵參數變化規律。當蒸發器進口水量增加時, 管內壓力升高, 出口溫度降低, 如圖3、圖4所示。這是由于液態水增加時, 工質在管內流速增加, 液相區和兩相區長度增加,氣相區長度變短, 如圖5所示。由于增大了系統的流量, 以及渦輪機入口壓強, 系統輸出功率增大, 如圖6所示。工質獲得的熱量不足以將其加熱到更高的溫度, 因此蒸發器出口溫度降低。其導致渦輪機出口溫度降低, 因此冷凝器氣相區縮短, 兩相區增加, 如圖7所示。當水量減少時, 工質各部件處的動態變化規律相反。

以上結果表明, 該仿真模型可以對系統變工況條件下動態過程進行預測, 可為控制方案的選擇及蒸發器、冷凝器等部件設計提供參考依據, 也可為系統變工況過程流量參數選定提供參考依據。

4 結束語

文中針對小型UUV用閉式循環動力系統開展研究, 應用移動邊界法建立了換熱器分相區集總參數數學模型, 建立了系統級動態仿真計算模型。通過仿真計算, 研究了泵流量階躍變化條件下系統的動態響應。

結果表明, 蒸發器進口水流量增加時, 管內壓力升高, 出口溫度降低, 渦輪機輸出功率增大, 蒸發器液相區及兩相區變長, 氣相區變短, 冷凝器氣相區及液相區縮短, 兩相區增加。蒸發器進口流量減小時, 變化規律相反。

該模型可以反映工質在系統各部件處的性能參數, 可對變工況動態過程進行性能預示, 可為動力系統的研制、優化設計提供參考依據。

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(責任編輯: 許 妍)

Dynamic Simulation of Closed Cycle Power System for UUV

BAI JieDANG JianjunLUO KaiLI Daijin

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

The closed cycle power system based on Li/SF6 heat pipe reactor is investigated for the purpose of designing high energy density power system of unmanned underwater vehicle(UUV). The moving boundary models of an evaporator and a condenser are established based on mass conservation and energy conservation equations with dividing their heat exchangers into different areas. The steady state model of a turbine and the dynamic model of a liquid trap are established. And the dynamic model of the whole system is built. With step change of the inlet water flow rate of the evaporator, the dynamic characteristics of the key components of the system are obtained by simulation. The results show that with the increase in the inlet water flow rate, the pressure in the tube rises up, the temperature at evaporator outlet decreases, the turbine power output gets higher, and the phase zone lengths of the evaporator and condenser change. When the flow rate decreases, the above behaviors change on the contrary. These models may be applicable to design of UUV power system and its control strategy.

unmanned underwater vehicle(UUV); closed cycle power system; turbine; dynamic model; moving boundary method

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.008

TJ630.32; TB115

A

1673-1948(2016)06-0438-06

2016-07-22;

2016-08-25.

國家自然科學基金資助(51409215).

白 杰(1985-), 男, 在讀博士, 主要研究方向為水下航行器動力技術.