水下航行器閉式循環(huán)動力系統(tǒng)動態(tài)仿真

白 杰, 黨建軍, 羅 凱, 李代金

?

水下航行器閉式循環(huán)動力系統(tǒng)動態(tài)仿真

白 杰, 黨建軍, 羅 凱, 李代金

(西北工業(yè)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(tǒng), 對以Li/SF6為熱源的閉式循環(huán)動力系統(tǒng)開展研究。基于質(zhì)量守恒和能量守恒方程, 將蒸發(fā)器及冷凝器進行分區(qū), 建立了移動邊界數(shù)學模型, 建立了渦輪機的穩(wěn)態(tài)模型以及集液器的動態(tài)模型, 形成了系統(tǒng)的動態(tài)模型。通過仿真計算, 獲得了系統(tǒng)工質(zhì)流量階躍變化條件下的動態(tài)響應。仿真結(jié)果表明, 蒸發(fā)器進口水流量增加時, 管內(nèi)壓力升高, 出口溫度降低, 渦輪機輸出功率增大, 蒸發(fā)器及冷凝器各相區(qū)長度改變; 當其流量減小時, 變化規(guī)律相反。所建模型可為UUV動力系統(tǒng)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(huán)動力系統(tǒng); 渦輪機; 動態(tài)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(xù)航能力, 動力源是其技術(shù)發(fā)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(yōu)勢。然而現(xiàn)有電池的發(fā)展技術(shù)水平, 制約了動力系統(tǒng)的運行時間。研究人員轉(zhuǎn)向研究高密度燃料電池或熱電混合動力系統(tǒng), 期望應用到未來的UUV上[2-3]。

MK50重型魚雷是閉式循環(huán)動力系統(tǒng)的典范。然而, 該動力系統(tǒng)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?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu), 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(guī)律, 對反應工況選定給出指導。印度的S. K. Dahikar[6]等采用數(shù)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(qū)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(shù)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(jié)果可為燃燒器及吸液芯設計提供依據(jù)。

現(xiàn)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(huán)動力系統(tǒng)的熱力計算模型, 限制了系統(tǒng)的研制進程。因此, 開展針對系統(tǒng)的熱力計算建模和仿真, 獲得系統(tǒng)變工況動態(tài)特性, 對于研制小型UUV動力系統(tǒng)有重要意義。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)構(gòu)型

文中研究的適用于小型UUV的動力系統(tǒng)方案如圖1所示。

鍋爐內(nèi)部設置金屬絲網(wǎng), 下端部分浸沒到燃料Li中。系統(tǒng)啟動后, 金屬絲網(wǎng)通過毛細力將液態(tài)Li提升至反應區(qū)域, 與通入的SF6氣體反應。生成的熱量將鍋爐反應器外側(cè)蒸發(fā)器中的水加熱至過熱蒸汽狀態(tài)。過熱蒸汽在微型渦輪機中膨脹做功, 進而帶動發(fā)電機發(fā)電, 完成能量轉(zhuǎn)換過程。乏汽經(jīng)過殼體冷凝器冷凝后由水泵加壓進入蒸發(fā)器, 進入下一循環(huán)。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(tǒng)能量密度高, 啟動性好, 無產(chǎn)物排放, 不受海水深度影響, 滿足小型UUV對動力系統(tǒng)的低輸出功率和長工作時間的要求。

1.2 系統(tǒng)動態(tài)仿真建模策略

獲得動力系統(tǒng)在變工況條件下的動態(tài)特性, 是提出控制策略的前提。在此之前, 需要建立穩(wěn)態(tài)計算模型, 獲得設計點工況參數(shù)。

動態(tài)仿真的難點是系統(tǒng)部件模型的建立和仿真算法的實現(xiàn)。建立能夠反映變工況過程中工質(zhì)在螺旋盤管蒸發(fā)器和冷凝器中的相變換熱模型是難點所在。考慮到系統(tǒng)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(fā)器及冷凝器建模。在此基礎(chǔ)上, 聯(lián)立其他各部件模型方程, 構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)模型。

2 數(shù)學建模

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

2.1 鍋爐建模

進入鍋爐內(nèi)部的SF6流量, 完全反應放熱功率為, 蒸發(fā)器吸收熱功率, 反應器內(nèi)部氣體溫度, 比熱, 質(zhì)量, 其能量平衡方程

2.2 蒸發(fā)器建模

換熱器中同時存在著兩相區(qū)和單相區(qū)。由于動態(tài)模型中, 各相區(qū)的長度是動態(tài)變化的, 兩相區(qū)和單相區(qū)之間的分界點不易捕捉, 若采用分布參數(shù)模型對各相區(qū)分別進行網(wǎng)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(jié)點集總參數(shù)模型, 即不同相區(qū)的計算模型相同, 仿真精度將難以保證[13]。

在結(jié)合二者各自特點, 采用分區(qū)集總參數(shù)方法, 將各相區(qū)的長度作為求解變量, 動態(tài)跟蹤兩相區(qū)和單相區(qū)之間邊界位置, 對各相區(qū)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(zhì)在換熱管內(nèi)為一維流動; 2) 忽略工質(zhì)在換熱管中的壓降損失; 3) 兩相區(qū)計算時采用平均空隙率理論; 4) 忽略工質(zhì)和換熱管的軸向?qū)帷?/p>

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(zhì)量連續(xù)關(guān)系

能量平衡關(guān)系

(3)

對于單相區(qū), 平均溫度為對數(shù)平均值, 兩相區(qū)為飽和溫度, 工質(zhì)與壁面單位長度換熱功率

將各相區(qū)相關(guān)變量代入式(2)和式(3), 進行方程的化簡。

蒸發(fā)器液相過冷區(qū)的質(zhì)量守恒方程

液相過冷區(qū)的能量守恒方程

(6)

兩相蒸發(fā)區(qū)的平均密度

其中, 兩相蒸發(fā)區(qū)的平均空隙率為

(8)

兩相蒸發(fā)區(qū)中滑移率

兩相蒸發(fā)區(qū)的質(zhì)量守恒方程

(10)

兩相蒸發(fā)區(qū)的能量守恒方程

對于氣相過熱區(qū), 因蒸發(fā)器的響應時間很小, 可將氣相過熱區(qū)按照準穩(wěn)態(tài)方法處理, 其質(zhì)量守恒方程

(12)

由能量守恒方程可以得出氣相過熱區(qū)的出口溫度

2.3 渦輪機建模

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

渦輪機進口參數(shù)為蒸發(fā)器出口參數(shù), 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(tài), 蒸發(fā)器出口蒸汽的流量與溫度、壓力存在耦合關(guān)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(fā)癥的發(fā)病率明顯上升，糖尿病性骨質(zhì)疏松癥即是一種十分常見的骨科疾病，據(jù)世界衛(wèi)生組織的一項統(tǒng)計顯示，全球目前大約有糖尿病患者3.47億，而合并有骨質(zhì)疏松癥的比率為約50%～60%[1] 。當出現(xiàn)糖尿病性骨質(zhì)疏松癥后，患者發(fā)生骨折的風險明顯增加，生活質(zhì)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(yī)結(jié)合治療糖尿病性骨質(zhì)疏松癥，取得較好的效果，現(xiàn)報告如下。

2.4 冷凝器建模

冷凝器與蒸發(fā)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(tǒng)中起儲存工質(zhì)及緩沖作用。其質(zhì)量變化關(guān)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(shù)學模型為

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

3 動態(tài)仿真分析

表1 仿真計算輸入?yún)?shù)

表2 仿真初始穩(wěn)態(tài)值

以上仿真結(jié)果體現(xiàn)了變工況過程中泵流量階躍變化時系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律。當蒸發(fā)器進口水量增加時, 管內(nèi)壓力升高, 出口溫度降低, 如圖3、圖4所示。這是由于液態(tài)水增加時, 工質(zhì)在管內(nèi)流速增加, 液相區(qū)和兩相區(qū)長度增加,氣相區(qū)長度變短, 如圖5所示。由于增大了系統(tǒng)的流量, 以及渦輪機入口壓強, 系統(tǒng)輸出功率增大, 如圖6所示。工質(zhì)獲得的熱量不足以將其加熱到更高的溫度, 因此蒸發(fā)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(qū)縮短, 兩相區(qū)增加, 如圖7所示。當水量減少時, 工質(zhì)各部件處的動態(tài)變化規(guī)律相反。

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

4 結(jié)束語

文中針對小型UUV用閉式循環(huán)動力系統(tǒng)開展研究, 應用移動邊界法建立了換熱器分相區(qū)集總參數(shù)數(shù)學模型, 建立了系統(tǒng)級動態(tài)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(tǒng)的動態(tài)響應。

結(jié)果表明, 蒸發(fā)器進口水流量增加時, 管內(nèi)壓力升高, 出口溫度降低, 渦輪機輸出功率增大, 蒸發(fā)器液相區(qū)及兩相區(qū)變長, 氣相區(qū)變短, 冷凝器氣相區(qū)及液相區(qū)縮短, 兩相區(qū)增加。蒸發(fā)器進口流量減小時, 變化規(guī)律相反。

該模型可以反映工質(zhì)在系統(tǒng)各部件處的性能參數(shù), 可對變工況動態(tài)過程進行性能預示, 可為動力系統(tǒng)的研制、優(yōu)化設計提供參考依據(jù)。

[1] Gafurov S A, Klochkov E V. Autonomous Unmanned Underwater Vehicles Development Tendencies[J]. Procedia Engineering, 2015, 106: 141-148.

[2] Waters D F, Cadou C P. Estimating the Neutrally Buoyant Energy Density of a Rankine-cycle/fuel-cell Underwater Propulsion System[J]. Journal of Power Sources, 2014, 248(4): 714-720.

[3] Waters D F, Cadou C P. Modeling a Hybrid Rankine-cycle/fuel-cell Underwater Propulsion System Based on Aluminum-water Combustion[J]. Journal of Power Sources, 2013, 221(1): 272-283.

[4] Groff E G, Faeth G M. Steady Metal Combustor as a Closed Thermal Energy Source[J]. Journal of Hydronautics, 1978, 12(2): 63-70.

[5] Hsu K Y, Chen L D. An Experimental Investigation of Li and SF6 Wick Combustion[J]. Combustion and Flame, 1995, 102(1-2): 73-86.

[6] Dahikar S K, Joshi J B, Shah M S, et al. Experimental and Computational Fluid Dynamic Study of Reacting Gas Jet in Liquid: Flow Pattern and Heat Transfer[J]. Chemical Engineering Science, 2010, 65(2): 827-849.

[7] 劉曉瑜. Li/SF6表面噴射反應器內(nèi)燃燒流場數(shù)值研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2012.

[8] 黃慶, 卜建杰, 鄭邯勇, 等. 液態(tài)鋰在金屬絲網(wǎng)上的毛細作用[J]. 艦船科學技術(shù), 2007, 29(6): 130-134. Huang Qing, Bu Jian-jie, Zheng Han-yong, et al. The Capillarity of Liquid Lithium on the Metal Screen[J]. Ship Science and Technology, 2007, 29(6): 130-134.

[9] Horst T A, Rottengruber H, Seifert M, et al. Dynamic Heat Exchanger Model for Performance Prediction and Control System Design of Automotive Waste Heat Recovery Systems[J]. Applied Energy, 2013, 105(1): 293-303.

[10] Cecchinato L, Mancini F. An Intrinsically Mass Conservative Switched Evaporator Model Adopting the Moving-boundary Method[J]. International Journal of Refrigeration, 2012, 35(2): 349-364.

[11] Ding X, Cai W, Duan P, et al. Hybrid Dynamic Modeling for Two Phase Flow Condensers[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 62(2): 830-837.

[12] Bonilla J, Dormido S, Cellier F O E. Switching Moving Boundary Models for Two-phase Flow Evaporators and Condensers[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2015, 20(3): 743-768.

[13] Wei D, Lu X, Lu Z, et al. Dynamic Modeling and Simulation of an Organic Rankine Cycle (ORC) System for Waste Heat Recovery[J]. Applied Thermal Engineering, 2008, 28(10): 1216-1224.

(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(shù).