一次水燃比對高金屬含量鎂基推進劑水沖壓發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

(西安航天動力技術研究所, 陜西西安, 710025)

為了進一步提升水沖壓發動機比沖性能, 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動機3D多相流摻混燃燒反應模型, 獲得了不同進水比例對補燃室內溫度分布、組分變化以及發動機比沖等參數的影響規律, 計算結果與地面試驗基本吻合。研究結果表明, 一次水燃比對高金屬含量水沖壓發動機的性能影響明顯, 隨著一次水燃比的不斷增大, 發動機比沖呈現出先增后減的情況, 存在某個最佳的一次水燃比, 發動機比沖性能最高。

水沖壓發動機; 高金屬含量推進劑; 一次水燃比; 比沖

0 引言

水沖壓發動機具備能量密度高、比沖大、結構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難以啟動和持續穩定工作。在金屬與水反應過程中, 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與水反應啟動溫度低, 容易發生燃燒反應, 是目前國內比較成熟的水沖壓發動機高金屬含量推進劑的首選。

水沖壓發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動機補燃室內部, 受熱蒸發后與高溫一次燃氣中的金屬發生劇烈的燃燒反應, 從而使發動機產生推力。文獻[6]~[8]設計了粉末供應系統及金屬/水燃燒器, 進行了鋁粉、鎂粉與水蒸氣燃燒的對比試驗。在水沖壓發動機中, 燃燒室長度及一次/二次進水距離的設計[9]、噴嘴霧化參數[10]、一次進水角度[11]、水燃比[12-13]等參數均對發動機比沖性能的提升至關重要, 但上述研究多數均是針對低金屬含量推進劑開展研究, 其發動機比沖性能較低。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現, 通過調整合適的一次水燃比(一次進水區域的進水流量與燃氣流量的比值)對水沖壓發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動機溫度、組分變化以及比沖效率的影響規律是十分有必要的。

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

1 數學模型

水沖壓發動機內含有氣相、液相、固相成分的貧氧燃氣經過燃氣發生器噴口噴入補燃室, 水以水霧形式進入補燃室, 補燃室內存在復雜的傳質和傳熱過程; 在高溫氣流作用下, 水霧蒸發形成水蒸氣, 在補燃室中與金屬粒子發生摻混燃燒反應, 燃燒產物及中間產物可能有幾十種之多, 難以獲得詳盡的化學反應動力參數。湍流流動與化學反應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的簡化處理:

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反應過程的模擬, 由于一次燃燒產物組分較多, 計算中忽略質量分數較小的組分, 簡化后組分為H2、N2、MgCl2、Mg、C和MgO等;

3) Mg、C等燃燒反應符合阿雷尼烏斯定律。

1.1 氣相控制方程

根據物理假設和流體力學中的質量、動量、能量、組分和RNG湍流模型, 補燃室內部3D氣相控制方程為

1.2 液滴運動軌跡

數值計算中, 通過壓力-旋流霧化噴嘴模型將霧化進水加入反應區域, 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)模擬水沖壓發動機補燃室內部兩相摻混燃燒, EDM認為化學反應速率不但在很大程度上受湍流影響, 而且與渦團中燃料、氧化劑和產物濃度有關, 根據此模型, 化學反應速率為

式中:為反應物和生成物的濃度;為化學反應當量比;,為常數項。

2 計算結果與分析

根據上述數學模型, 針對水沖壓發動機建立數值計算模型。發動機直徑110 mm, 采用鎂基高金屬含量推進劑, 燃氣總質量流量0.3 kg/s。

補燃室進口一次燃氣組分見表1。

表1 補燃室進口燃氣質量組分

計算中對流項按照迎風格式離散, 粘性項按照中心差分格式離散, 燃氣進口采用質量入口邊界, 出口采用壓力出口邊界, Mg組分以氣相形式參與反應, MgO、C以及霧化進水通過離散相形式加入, 通過Fluent求解3D穩態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動機的設計和優化提供理論參考。數值計算過程中的霧化噴嘴位置及分布與地面試驗發動機完全一致, 在總水燃比保持不變的情況下, 數值計算中可通過改變一次進水區域內的進水量來調節一次水燃比, 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一次水燃比的調節, 從而實現一定范圍內的一次水燃比的變化。

圖3給出了發動機總水燃比不變的情況時, 不同一次水燃比下補燃室內部的溫度分布云圖。可以看出, 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。由于鎂水反應主要在一次進水區域發生, 一次水燃比的不斷增大, 一方面大量的鎂水反應釋放熱量, 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, 未參與反應的霧化進水汽化吸熱后, 導致對應位置的補燃室溫度下降。顯然, 隨著一次水燃比的不斷增大, 一次進水區域內的溫度分布呈現出更大的非均勻性。

圖4給出了發動機結構尺寸、霧化噴嘴分布及金屬推進劑與數值計算模型一致的水沖壓發動機地面性能試驗中實測的補燃室頭部溫度曲線。可以看出, 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, 隨著發動機工作時間的不斷增加, 當一次進水過量后, 一次進水區域內鎂水反應釋放出的熱量并不足以彌補過量進水汽化所吸收的熱量, 導致補燃室頭部測點溫度不斷降低, 鎂水反應效率降低, 發動機效率下降。

圖5給出了發動機總水燃比不變的情況下, 不同一次水燃比時補燃室內Mg組分的質量分數分布云圖。很明顯地看出, 隨著一次水燃比的不斷增大, Mg金屬參與反應的比重不斷增大, 鎂金屬完全反應所需要的補燃室長度不斷縮短, 當一次水燃比達到1.07后, Mg金屬含量在一次補燃區域幾乎已經完全燃燒完畢, 二次進水區域內的霧化進水幾乎完全不參與反應, 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質量分數下降幅度不斷增大, 一次補燃區域內Mg組分的反應量不斷增大, 與圖5吻合。

圖7給出了不同一次水燃比時, 補燃室內的H2O組分的質量分數分布云圖, 可以看出, H2O組分分布與Mg分布剛好相反, 且一一對應。一次水燃比較小時, 一次進水區域H2O組分基本完全參與反應, 隨著一次水燃比的不斷增大, 一次進水區域內的未參與反應富余的H2O組分含量不斷增大, 這說明, 當一次水燃比過量后, 并不是所有的一次進水均能有效的參與鎂水反應, 還有一部分霧化進水只是汽化吸熱, 并未參與反應, 從而導致一次進水區域內的平均溫度降低。

圖8給出了一次水燃比與無量綱化的發動機比沖的變化曲線。可以看出, 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, 發動機比沖呈現先增后減的特性。數值計算一次水燃比達到0.94時, 發動機比沖最高, 而地面試驗表明, 一次水燃比在1.01時, 發動機比沖最高, 二者基本吻合, 與文獻[13]的結果對比表明, 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動機3D多相流摻混燃燒反應模型, 數值計算得到了一次水燃比對補燃室的溫度變化、組分分布以及發動機比沖等參數的影響規律, 并且與地面性能試驗結果進行對比, 得到以下結論:

1) 隨著一次水燃比的不斷增大, 發動機比沖呈現出先增后減的情況;

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

3) 數值計算結果與地面試驗結果吻合性好, 表明了數值計算方法的正確性。

[1] Stinbring D R, Cook R B, Dzielski J, et al. High-Speed Supercavitating Vehicles[C]//Collection of Technical Papers-AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference. Colorado, US: [s.n.], 2006.

[2] Ko H, Park B H, Yoon W S. Evolution of Combusting Flow in Rocket-Ramjet Transition Regime[C]//41st AIAA/ ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Joint Propulsion Conferences. Tucson, Arizona: AIAA/ ASME/SAE/ASEE, 2005.

[3] Risha G A, Huang Y, Yetter R A, et al. Combustion of Aluminum Particles with Steam and Liquid Water[C]// 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Ae- rospace Sciences Meetings. Reno, Nevada: AIAA, 2006.

[4] Tahsini A M, Ebrahimi M. Increasing Isp by Injecting Water into Combustion Chamber of an Underwater SRM[C]//42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit Sacramento. California: AIAA/ ASME/SAE/ASEE, 2006.

[5] Ermakov V A, Razdobreev A A, Skorik A I, et al. Temperature of Aluminum Particles at the Time of Ignition and Combustion. Combustion[J]. Explosion and Shock Waves, 1982, 18(2): 256-257.

[6] MilIer T F, Herr J D. Green Rocket Propulsion by Reaction of Al and Mg Powders and Water[C]//40th AIAA/ ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit Fort Lauderdale, Florida, 2004.

[7] MiIler T F, walter J L, Kiely D H. A Next-generation AUV Energy System Based on Aluminum-seawater Combustion [C]//Proceedings of the Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology, [s.l.]: IEEE, 2002: 111-119.

[8] Miller T F, Garza A B. Finite Rate Calculations of Magnesium Combustion in Vitiated Oxygen and Steam Atmospheres[C]//4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit(IECEC). San Diego, California: IECEC, 2006.

[9] 黃利亞, 夏智勛, 胡建新, 等. 鎂基水沖壓發動機燃燒室長度及進水距離設計方法[J]. 航空學報, 2011, 32(1): 67-74.Huang Li-ya, Xia Zhi-xun, Hu Jian-xin, et al. Design Method Combustion Chamber Length and Water Intake Distance of Magnesium-basedwater Ramjets[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2011, 32(1): 67-74.

[10] 朱千穩, 劉冰, 夏智勛, 等. 噴嘴特性對水沖壓發動機性能的影響[J]. 導彈與航天運載技術, 2010(6): 10-13.Zhu Qian-wen, Liu Bing, Xia Zhi-xun, et al.Analysis of Nozzle Characteristic Effects on Water Ramjet Engine[J]. Missiles and Spacevehicles, 2010(6): 10-13.

[11] 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.

[12] 韓超, 夏智勛, 胡建新, 等. 水燃比對水沖壓發動機性能影響數值模擬與試驗研究[J]. 國防科技大學學報, 2009, 31(4): 117-121.Han Chao, Xia Zhi-xun, Hu Jian-xin, et al. Numerical and Experiment Studies on Water Ramjet with Effect of Water-fuel Ratio[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2009, 31(4): 117-121.

[13] 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. Water/Fuel Ratio Selection Method in Water Ramjet Engine Test[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2010, 31(9): 1740-1745.

(責任編輯: 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, 研究領域為固體火箭發動機技術.

[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動機比沖性能影響分析[J]. 水下無人系統學報, 2017, 25(1): 52-56.