水反应金属燃料发动机一次进水雾化锥角数值仿真

冯要飞, 伊 寅, 史小锋, 韩新波, 乔 宏, 肖 波



水反应金属燃料发动机一次进水雾化锥角数值仿真

冯要飞1,2, 伊 寅1, 史小锋1, 韩新波1, 乔 宏1, 肖 波1

(1. 中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710075; 2. 水下信息与控制重点实验室, 陕西 西安, 710075)

为了研究雾化锥角对水反应金属燃料发动机一次进水反应的影响, 对水反应发动机一次进水燃烧情况进行了建模, 仿真了水反应特性和流场特性, 通过改变镁粒径、喷嘴位置和雾化锥角大小, 进行了对比分析。仿真结果表明, 水反应剧烈的位置液滴挥发作用也强烈; 温度场的分布与镁液滴分布有很大关联, 镁液滴多的位置流场温度低, 镁液滴少的位置流场温度高; 增大镁粒径, 水反应强烈的区域向后移动; 雾化锥角影响流场特性; 不同镁粒径条件下喷嘴最合适雾化锥角和位置不同。

水反应金属燃料发动机; 一次进水; 雾化锥角; 流场特性; 数值仿真

0 引言

金属燃料水反应发动机是一种新型水下推进装置[1-2], 其工作过程为: 点火后, 增速段固体推进剂燃烧, 在热反馈作用下金属燃料开始热解, 生成富含凝相或气相金属组分的热解气体; 增速段固体推进剂燃烧结束后, 燃烧室压强下降, 海水依靠鱼雷高速航行产生的流体动压进入发动机, 一部分进入燃烧室, 与热解产生的金属组分反应, 另一部分进入掺混室, 吸收热量汽化, 增加做功工质; 燃烧产物经拉瓦尔喷管高速排出, 产生反作用推力, 推动鱼雷高速航行[3]。

固体燃料的热解过程主要取决于燃烧区对固体燃料表面的热反馈, 热反馈越多, 热解越快, 喷射效率越高。固体燃料对燃烧区的质量传递是流场燃烧反应得以进行的前提, 气相组分含量越多, 质量比越接近化学当量比, 组分之间扩散混合得越均匀, 燃烧越完善。当固体燃料的金属含量较高时, 氧化剂含量很少, 燃料热解几乎完全依靠热解产物与水反应燃烧放出的热量, 燃料热解与燃烧过程强烈耦合。流场水反应充分是发动机性能实现的前提, 水反应发动机工作过程中, 水作为氧化剂通过喷嘴进入燃烧室内, 与燃料药柱热解产物发生反应, 一次进水对流场影响很大。一次进水参数包括一次水燃比、一次进水角度、水液滴直径和雾化锥角等, 国内学者对水反应发动机一次水燃比、一次进水角度和水液滴直径进行了研究[4-6], 而对于水反应发动机雾化锥角的研究未见报道。本文对水反应发动机一次进水燃烧情况进行了建模, 对高金属含量水反应发动机一次进水雾化锥角进行了数值仿真。

1 仿真建模

1.1 镁水反应工况

为研究不同镁粒径、喷嘴位置和雾化锥角条件下流场特性的变化规律, 采用数值计算方法仿真水反应过程。燃烧室压力为2.5 MPa, 取从药柱后端到长尾管前端的部分进行流场计算。由药柱热解速率计算出进入流场的富含凝相或气相金属组分的热解气体, 即流场入口金属燃料流量。设置4个喷嘴周向均匀分布。流场示意图见图1。

图1 水反应金属燃料发动机流场示意图

1.2 模型建立

模型计算采取以下假设: 流场为3D定常多相反应流场; 镁粒子和水滴与壁面的碰撞为弹性碰撞, 不考虑粒子聚合和分裂; 流场内气体为理想气体, 符合其状态方程; 不考虑重力影响。

1) 连续相模型

2) 离散相模型

镁、水液滴的运动采用拉格朗日颗粒轨道模型进行描述, 控制方程

3) 液滴雾化蒸发模型

喷嘴出口液滴的平均直径按下式估算[3]

应用液滴蒸发理论建立液滴蒸发速率模型, 假定蒸发过程是球对称的, 液滴内部物理状态均匀, 边界层厚度可以采用折算薄膜理论计算。液滴加热模型控制方程为

液滴蒸发模型用如下方程描述

4) 燃烧模型

采用物质输送和涡耗散模型模拟组分输运及镁和水的化学反应。守恒方程采用以下通用形式

流场中发生的主要化学反应为镁与水的反应, 其反应方程式为

Mg+H2O=MgO+H2

燃烧为湍流燃烧时, 需要考虑湍流作用对反应速率的影响, 因此采用涡耗散模型, 反应速率取决于涡团中包含燃料、氧化剂和产物中浓度最小的一个。该模型的表达式为

2 仿真结果与分析

流场中影响镁水反应的因素有镁粒径、喷嘴位置和喷嘴雾化锥角等。任何一个因素的变化都会改变流场中反应情况, 且每个因素都会影响其他因素对反应的作用, 故各因素之间关系复杂。

2.1 雾化锥角与流场特性分析

2.1.1 特定雾化锥角下流场特性

特定雾化锥角下入口镁液滴为某大小粒径, 喷嘴喷入水液滴粒径0.1 mm,温度298.15 K,速度25 m/s,水反应情况见图2(图中截面从左到右依次是=30,=100,=200,=300,=400和出口截面)。

由图2(a)和(b)可知, 反应强烈的位置温度并不高, 该位置主要在水喷射路径附近较小范围, 此处也是水液滴和镁液滴大量汽化的位置。镁水反应放出大量的热, 被水液滴和镁液滴吸收, 使液滴升温气化, 使得镁水气化和反应持续发生。

图2 特定雾化锥角加入某种粒径镁液滴时流场特性

分析图2(c)和(d)可知, 水喷射路径附近较大范围都存在一定浓度的水蒸气, 说明水液滴蒸发后一部分参与镁水反应, 另一部分向周围扩散。镁的沸点远高于水, 单位质量的镁气化潜热也远高于水(约是水的2.4倍), 镁的气化滞后于水, 且气化后能与水立即反应, 水喷射路径附近的镁液滴在燃烧室前端部分气化并发生反应, 形成了图2(e)中的中空结构。

在水液滴不能到达的区域, 水蒸气较少, 镁水反应较少, 此处放热量、温度和镁的气化量也较低, 镁液滴的蒸发较慢。

温度场的分布与镁粒径分布有较大关联, 镁的气化潜热大, 气化吸热多, 气化发生在液滴表面, 液滴多的地方温度低, 流场前段镁液滴较多, 温度较低, 流场后段镁液滴少的区域温度高。

流场前部不临近区域的镁水不能相遇发生反应,且扩散慢,临近尾端流场截面不断变小,因湍流混合作用加强相互靠近, 其中的镁水发生反应。只有少量镁和水以液滴或蒸汽的形式进入长尾管。

2.1.2 增大雾化锥角时流场特性

雾化锥角增大2°时流场特性如图3所示。

图3 雾化锥角增大2°时流场特性

雾化锥角较大时, 水液滴在流场中轴线附近汇集, 流场中轴线附近水液滴较多, 水蒸气浓度较大, 温度较低, 反应速率低, 流场前段镁水反应主要分布在壁面附近, 而流场后段镁水反应主要分布在流场中轴线附近。流场末端中心处部分水液滴和镁液滴挥发较少或未挥发。

2.1.3 减小雾化锥角时流场特性

雾化锥角减小2°时流场特性见图4。雾化锥角较小时, 流场中轴线和壁面附近处水液滴较少, 水蒸气浓度较低, 靠近中轴线的环行区域内温度较高, 流场前段镁水反应速率分布较均匀, 而在流场后段镁水反应浓度速率主要在流场中部和靠近壁面处。流场末端壁面附近部分镁液滴挥发较少或未挥发。

一定粒径的镁液滴, 随着雾化锥角从无限小开始增大, 镁水反应量先增多后减少, 流场特性先变好后变差, 喷嘴雾化锥角存在最合适大小。

2.2 镁粒径/喷嘴位置对雾化锥角的影响

2.2.1 镁粒径的影响

为了研究其他因素如何影响雾化锥角对水反应的作用, 将镁粒径增大50%, 其他条件不变, 流场特性见图5。增大镁粒径后, 镁液滴蒸发量降低了很多, 镁在流场前段的反应较少, 水液滴在中轴线附近汇集, 该处温度较低, 反应浓度在流场中间较低, 镁水反应主要在燃烧室壁面附近发生, 有较多液滴未在燃烧室发生水反应。因此, 增大镁粒径后, 喷嘴雾化锥角和位置不再适合。

图4 雾化锥角减小2°时流场特性

为此, 将喷嘴雾化锥角减小, 流场中部反应仍然较少, 中轴线附近液滴挥发慢, 有较多液滴未挥发, 流场特性未明显改善。

2.2.2 喷嘴位置的影响

喷嘴位置距离燃烧室壁面较大时, 4个喷嘴喷出的水液滴在中轴线附近聚集, 不利于水的蒸发, 由于水蒸发的吸热作用, 中轴线附近的温度也较低, 使得镁液滴在此处难于蒸发和反应, 导致流场中心大量镁液滴和水液滴直接从出口处流出进入长尾管。喷嘴雾化锥角较大时也会出现这种现象。适当使喷嘴位置靠近壁面有利于降低燃烧室壁面的温度。喷嘴雾化锥角较小时, 水液滴不能散布开来, 不利于水和镁的掺混, 反应发生的范围较小, 导致放热量也少, 未能气化而进入长尾管的镁液滴增多。

2.2.3 各因素的耦合影响

为改善流场特性, 将雾化锥角减小1°, 喷嘴位置距壁面距离减小2 mm, 水反应情况见图6。

图5 镁液滴粒径增大50%时流场特性

图6 雾化锥角减小1°,距壁面距离减小2 mm时流场特性

将喷嘴雾化锥角减小同时将其位置向壁面处移动, 水液滴在中轴线处未汇集, 反应分布相对均匀, 流场温度分布也更均匀, 水液滴和镁液滴的挥发和反应也较充分。因此不同镁粒径条件下, 最合适的喷嘴雾化锥角和喷嘴位置是不同的。

3 结论

1) 一定雾化锥角下, 温度场的分布与镁液滴分布有较大关联, 流场前段镁液滴较多, 温度场较低, 流场后段镁液滴少的区域温度高; 当增大镁粒径时, 镁的蒸发变慢, 水反应的集中区域向流场下游移动, 流场温度降低, 燃烧室出口处镁液滴和水液滴的数量增多。2) 不同雾化锥角下的流场特性不同, 存在最佳雾化锥角。3) 不同镁粒径条件下, 喷嘴最合适雾化锥角和位置不同。镁粒径变化时, 改变喷嘴雾化锥角和喷嘴位置可以优化流场特性。

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

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

[3] 赵卫兵,史小锋,伊寅,等.水反应金属燃料在超高速鱼雷推进系统中的应用[J].火炸药学报,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] 黄利亚, 夏智勋, 张为华, 等. 水冲压发动机试验水燃比选择方法[J]. 航空学报, 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.

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(责任编辑: 陈 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.

冯要飞(1988-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为鱼雷热动力技术