鋁基水反應金屬燃料動力系統建模與仿真

路　駿，韓勇軍，馬為峰，高育科，郭兆元，李　鑫

（1.中國船舶重工集團公司 第705研究所，陜西 西安，710077；2.西北工業大學 航海學院，陜西 西安，710072）

鋁基水反應金屬燃料動力系統建模與仿真

路駿1，2，韓勇軍1，馬為峰1，高育科1，郭兆元1，李鑫1

（1.中國船舶重工集團公司 第705研究所，陜西 西安，710077；2.西北工業大學 航海學院，陜西 西安，710072）

鋁基水反應金屬燃料動力系統采用高能量密度燃料，可大幅提高無人水下航行器的航程，是極具潛力的新型水下能源動力系統。文中分析了鋁基水反應金屬燃料動力系統工作原理，建立了全系統的性能計算模型，提出了該模型的求解方法，利用模型計算了系統關鍵節點的熱力工作參數，獲得了關鍵節點的熱力工作參數和設備性能參數對系統熱效率的影響規律。仿真結果表明，鋁基水反應金屬燃料動力系統比鋰電池等目前常用的水下能源動力系統具有顯著優勢，且通過優化其熱力工作參數，可進一步提高鋁基水反應金屬燃料動力系統的熱效率。

無人水下航行器；鋁基水反應金屬燃料；動力系統；建模與仿真

1　概述

我國屬世界海洋大國，擁有近 300萬平方公里的“海洋國土”。隨著我國海洋戰略的制定和實施，維護海洋權益的任務日益繁重，需要更多現代化的海洋裝備。其中，無人水下航行器（UUV）作為一種海上力量倍增器，有著廣泛而重要的軍事用途，已成功用于執行掃雷、偵察、情報搜集及海洋探測等任務［1］。目前，美國、俄羅斯等海洋強國及歐洲都在加強相關研究，其技術發展的重點之一是新型水下能源動力系統，以求大幅提高無人水下航行器的航程、航深和隱蔽性［2］。

提升水下能源動力系統性能的關鍵在于尋求高能量密度的新型能源以及提高動力系統的能量利用效率。表1總結了一些典型燃料的能量密度［3］。目前，水下動力系統采用的能源形式主要為OTTO燃料和電池。從表1中可以看出，這兩種能源的能量密度較低，例如美國海軍MARV無人水下航行器所采用的鋰離子電池，其能量密度約為180～315 Wh/L；而美國海軍Mk48魚雷所采用的OTTO-II燃料，其能量密度為895 Wh/L。另一方面，金屬燃料具有較高的能量密度。需要指出的是，與飛行器關注質量能量密度不同，水下航行器的阻力與沾濕表面積有關，因此更為關注體積能量密度。由表 1可知，鋁具有最高的體積能量密度，而且其氧化劑水可以直接從海水中獲取而不用自身攜帶，因此最適合水下應用。

表1　典型水下能源的能量密度Table 1　Energy density of typical underwater power

無人水下航行器的航程除了取決于能源的能量密度，還受動力系統的能量利用效率影響。航程與燃料能量密度和動力系統能量利用效率的關系如圖 1所示［4］。圖中的虛線表示等航程線，即同一條虛線上的點具有相同的航程。圖中的粗線叉和細線叉表示采用鋰電池時航程的下限和上限。圖中空心三角形表示鋁基水反應金屬燃料動力系統的能量利用效率為2.6%時，其航程與鋰電池航程相等；實心三角形表示鋁基水反應金屬燃料動力系統的能量利用效率為 26%時，其航程為鋰電池航程的10倍。這說明由于鋁基水反應金屬燃料具有極大的能量密度，因此動力系統的能量利用效率只要大于 2.6%即可獲得比鋰電池更遠的航程。

圖1　航程與能量密度和能量利用效率的關系Fig.1　Relationship of rang with energy density and energy efficiency

目前，針對鋁基水反應金屬燃料在水下能源動力領域的應用研究主要集中在水沖壓發動機，與文中提出的動力系統結構原理差異較大。基于此，文中分析了鋁基水反應金屬燃料動力系統的工作原理，建立了全系統的性能計算模型，計算獲得關鍵節點的熱力工作參數和設備性能參數對系統熱效率的影響規律。

2　鋁基水反應金屬燃料動力系統

鋁基水反應金屬燃料動力系統是以鋁基金屬燃料和水發生反應釋放熱量加熱注入燃燒室內的冷卻水形成過熱蒸汽作為工質，驅動蒸汽輪機完成能量轉換的一種水下能源動力系統。

系統的能量轉換過程主要包括鋁粉輸送、鋁水反應、水蒸汽膨脹做功等復雜的物理化學過程，其工作原理如圖2所示［5］。

其具體工作過程如下: 鋁粉在燃料添加器內與氫氣流混合并由氫氣流攜帶輸送至燃燒室。在燃燒室內，鋁粉和水發生反應生成固態產物三氧化二鋁和氣態氫氣，并釋放大量的熱量加熱注入燃燒室內的冷卻水形成過熱蒸汽。反應產物經氣固分離器后，固態產物被分離，氣態產物驅動汽輪機將熱能轉化為機械功輸出。汽輪機排出的乏汽經回熱冷凝后流入氣液分離器，其中所含的氫

氣被分離并由壓氣機加壓后重新進入燃料添加器；而液態水由循環泵增壓后重新進入燃燒室與鋁粉發生反應，完成整個循環。

圖2　鋁基水反應金屬燃料動力系統原理圖Fig.2　Principle of underwater propulsion system using hydroreactive aluminum metal fuel

3　系統模型與求解方法

3.1系統模型

1） 燃料添加器

燃料添加器的作用是利用高壓的氫氣流化固態的鋁基金屬燃料，由氫氣流攜帶燃料進入燃燒室。計算燃料添加器混合物的出口速度需要求解復雜的三維Navier-Stokes方程，對于系統性能計算來說并無必要，故文中采用鋁粉攜帶系數kseed和壓力損失系數dpseed描述燃料添加器性能

2） 鋁水燃燒室

鋁水燃燒室中的能量轉換過程相對復雜，因為這里既有鋁水反應過程，又有水/水蒸汽的摻混過程。通過點火器啟動鋁水反應，反應方程

鋁水反應啟動后劇烈放熱，如果不及時冷卻降溫，則可能燒毀燃燒室。為確保燃燒室材料在安全熱強度下工作，由循環泵將冷卻水加壓經回熱器注入燃燒室中，這些冷卻水吸收鋁水反應釋放的熱量而蒸發生成水蒸氣，進而驅動汽輪機做功。

根據基爾霍夫定律，鋁水反應熱

其中

式中: q.c為2 mol鋁完全反應放出的熱量為鋁水反應的標準反應焓；Tc為鋁水反應進行的溫度；為反應物或者產物在溫度 Tc下的摩爾焓；為反應物或者產物的標準摩爾焓，即 298.15 K時的摩爾焓。

考慮到反應不完全損失、散熱損失及氣體膨脹損失等因素，該部分對整個系統提供的熱量

3） 分離器

假設進入分離器的工質中含有n種成分，則將其完全分離所消耗的功為［6］

式中: Ru為理想氣體常數；T為溫度；mi，MWi和xi分別為第i種成分的質量、摩爾質量和摩爾分數；小標1，2和3分別表示該種成分入口、出口和被分離的量。

分離效率定義為第i種成分的出口質量與入口質量之比，根據質量守恒定律

根據能量守恒定律，可得

式中: hi為第i種成分的比焓。

4） 汽輪機

燃燒室產生的蒸汽在汽輪機中膨脹做功。汽輪機的有效功率

式中: m.t為汽輪機入口蒸汽質量流量；htin為汽輪機入口水蒸汽比焓；htout為水蒸汽按實際曲線膨脹的出口比焓；ηti為汽輪機相對內效率；ηtm為汽輪機機械效率。

汽輪機相對內效率

1)“ξ ist ein Philosoph”是函數(概念)，其中自變量(對象)取值為“Sokrates”；

5） 回熱器

回熱器高溫側為汽輪機出口的乏汽，低溫側為循環泵出口的過冷水，其性能可由回熱利用率描述

式中:hsin為汽側入口比焓；hsout為汽側出口比焓；為汽側出口壓力對應的飽和蒸汽比焓為水側入口比焓為水側出口比焓。

根據熱平衡，可得回熱器的能量關系式

回熱器的傳熱量

式中:krh為總傳熱系數；Arh為回熱器的有效換熱面積；Δ trh為傳熱溫差。

式中:krh，i，krh，w和krh，g分別為管壁換熱系數、水側對流換熱系數和汽側對流換熱系數。

式中，ψ為溫差修正系數，表征流動接近逆流的程度。

回熱器汽側和水側的壓損

6） 冷凝器

冷凝器功能是利用艙外海水對乏汽進行冷卻。冷凝器的放熱量

7） 循環泵和壓氣機

循環泵和壓氣機均是用于給工質加壓，其性能可用壓比描述

式中，pcpin和pcpout為進、出口工質的壓力。

給工質升壓消耗的功為

式中:hcpin和hcpout為進、出口工質的比焓；ηcp為循環泵或壓氣機的效率。

3.2求解方法

該模型的求解方法如圖3所示。首先確定不變的參數，如汽輪機機械效率、水泵和壓氣機效率等，再選定可變參數，如汽輪機排汽壓力等。接下來對汽輪機進行熱力計算，得到汽輪機出口（即回熱器汽側入口）參數；這時假定一個回熱器汽側出口溫度初值，再選取回熱利用率值，各節點壓力按照一定的壓損分別計算得到，然后根據冷凝器和供水泵的特性就能得到供水泵出口（即回熱器水側入口）參數，這時由回熱利用率定義式就能得到回熱器水側出口比焓，再利用回熱器的熱平衡關系，可求得一個回熱器汽側出口的新比焓，繼而得到一個新的汽側出口溫度。把這個新的汽側出口溫度與假定的初始值進行比較，當二者差距較大時，將后一次計算得到的回熱器汽側出口溫度替換前一次計算得到溫度，反復迭代直至二者之差不大于0.001℃為止。接著進行燃燒室的計算，其中鋁水反應的放熱量計算所用到的相關反應物和生成物的熱物性參數如表2所示，表中數據來自NIST數據庫的擬合公式。在此基礎上計算獲得全系統性能參數。

圖3　模型求解方法Fig.3　Solving method of the system model

表2　鋁水反應的反應物和生成物熱物性參數表Table 2　Thermophysical parameters of reactants and products of hydroreactive aluminum

4　計算結果與討論

為了表征整個系統的能量利用效率，引入系統熱效率ηsy，其意義為整個系統的輸出功與投入系統的總能量的比值。根據系統各個單元設備之間的能量轉換情況，系統熱效率

式中:Ne為汽輪機有效功率；Wp為水泵消耗功率；為壓氣機消耗功率；Qsy投入系統的總熱量。

利用上述模型研究系統關鍵節點的熱力工作參數（包括汽輪機的入口工質溫度和排汽壓力）以及設備性能參數（回熱器回熱利用率）對系統熱效率的影響規律，結果如圖4～圖6所示。

圖4所示為回熱利用率變化對系統熱效率的影響。當回熱利用率從0.1增加到1.0，系統熱效率從12.6%增加到14.2%。這是因為回熱利用率增加，回熱器性能提高，工質的平均吸熱溫度升高，同時冷端損失減少，系統熱效率提高。但考慮到循環泵前工質不能氣化的約束，因而回熱利用的能量是有限的，導致系統熱效率提升幅度也有限。

圖4　回熱器回熱利用率對系統熱效率的影響Fig.4　Impact of regenerator efficiency on system heat efficiency

圖5為汽輪機入口工質溫度變化對系統熱效率的影響規律。隨著汽輪機入口工質溫度從800 K增加到1 100 K，系統熱效率從11.5%升到13.7%。這是因為汽輪機入口工質溫度增加，循環吸熱過程的平均溫度提高，從而使系統熱效率提高。但入口工質溫度偏離設計工況太大也會導致汽輪機效率顯著下降。此外，考慮到需確保汽輪機材料在安全的熱強度下工作，入口工質溫度也不宜過高。

圖6為汽輪機排汽壓力變化對系統熱效率的影響規律。從圖中可以看出，隨著排汽壓力從0.1 MPa升高到0.7 MPa，系統熱效率從13.5%下降到9.5%，降幅十分顯著。這是由于汽輪機排汽壓力升高，汽輪機焓降減小，輸出的功率減小，另一方面，排汽壓力升高，意味著循環放熱過程平均溫度提高，從而使循環熱效率減低。

綜上所述，鋁基水反應金屬燃料動力系統的能量利用效率遠高于2.6%，因此其航程比鋰電池具有顯著優勢，且通過優化關鍵熱力工作參數，可以進一步提高系統效率。

圖5　汽輪機入口溫度對系統熱效率的影響Fig.5　Impact of turbine inlet temperature on system heat efficiency

圖6　汽輪機排汽壓力對循環熱效率的影響Fig.6　Impact of turbine exhaust steam pressure on circle heat efficiency

5　結束語

文中分析了鋁基水反應金屬燃料動力系統的工作原理，建立了系統的性能計算模型，提出了該模型的求解方法，并利用模型計算了系統關鍵節點的熱力工作參數，以獲得關鍵節點的熱力工作參數和設備性能參數對系統熱效率的影響規律。模型計算結果表明，增加汽輪機入口溫度和降低汽輪機排汽壓力都能在一定程度上提高系統的循環熱效率。而實際中，汽輪機入口溫度受限于材料，汽輪機排汽壓力受限于冷凝器性能，在后續研究中應考慮上述因素進一步優化汽輪機工作參數。另一方面，回熱器的回熱利用率越高，系統熱效率越高，同時回熱器的面積越大。考慮到無人水下航行器的特殊應用環境，回熱器的尺寸和重量有嚴格限制，故回熱利用率不宜太高。

［1］ 蘭志林，周家波.無人水下航行器發展綜述［J］.國防科技，2008，29（2）: 11-15.

［2］王曉武，林志民，崔立軍.無人潛水器及其動力系統技術發展現狀及趨勢分析［J］.艦船科學技術，2009，31（8）: 31-34.Wang Xiao-wu，Lin Zhi-min，Cui Li-jun.Analysis of Technology Status and Development Trend for Unmanned Underwater Venicle and Its Propulsion System［J］.Ship Science and Technology，2009，31（8）: 31-34.

［3］ Waters D F，Cadou C P.Modeling a Hybrid Rakine-cycle/ fuel-cell Underwater Propulsion System Based on Aluminum-water Combustion［J］.Journal of Power Sources，2013，221: 272-283.

［4］ Waters D F.Modeling of Water-breathing Propulsion System Utilizing the Aluminum-seawater Reaction and Solid-oxide Fuel Cells［D］.Master Thesis: University of Maryland，2011.

［5］ Eagle W E，Waters D F，Cadou C P.System Modeling of a Novel Aluminum Fueled UUV Power System［C］//Proceedings of 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting.Nashville，Tennessee: AIAA，2012.

［6］ Cengel Y，Boles M.Thermodynamics: An Engineering Approach［M］.4th ed.New York: McGraw Hill，2002.

（責任編輯: 陳曦）

Modeling and Simulation of Underwater Propulsion System Based on Hydroreactive Aluminum Metal Fuel

LU Jun1，2，HAN Yong-jun1，MA Wei-feng1，GAO Yu-ke1，GUO Zhao-yuan1，LI Xin1
（1.The 705 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Xi′an 710077，China；2.School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China）

Hydroreactive aluminum metal fuel can greatly increase the range of an unmanned underwater vehicle due to its high energy density.In this paper，the working principle of the propulsion system is introduced.The system is modeled based on the thermodynamics analysis.An iteration method is proposed for the solution of the model.Using the model，the key thermal parameters of the system are calculated，and their impacts on system performance are analyzed.Simulation results indicate that the proposed system is superior to the existing system powered by lithium battery.In addition，the system heat efficiency can be further improved by optimizing its key thermal parameters.

unmanned underwater vehicle；hydroreactive aluminum metal fuel；propulsion system；modeling and simulation

TJ630.32；V512

A

1673-1948（2016）03-0211-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.0010

2016-02-21；

2016-03-16.

國家自然科學基金（61403306）；中國博士后科學基金特別資助（2015T81062）；中國博士后科學基金（2014M552503）.

路駿（1986-），男，在站博士后，主要研究方向為水下能源動力技術.