一次燃气入口角度对水冲压发动机比冲性能影响分析

晁 侃, 牛 楠, 陆贺建

(中国航天科技集团第四研究院第41研究所, 西安 710025)

0 引言

为了满足未来水下超高速航行器对先进动力技术的需求，亟需研制一种新型高效的水下先进高能量密度动力技术，即水冲压发动机技术，作为未来水下超高速航行器的先进动力装置[1-4]，水冲压发动机采用能与水燃烧反应的高性能金属基推进剂，通过进水控制系统将外部的水按设计的进水流量要求，引入补燃室中与金属基推进剂燃烧反应，产生高温高压燃气，通过喷管膨胀做功排出后产生推力[5]。

在目前的水冲压发动机技术研究中，铝、镁或者其合金粉末通常被当做金属基燃料参与燃烧反应。相比于镁，虽然铝具有更高的能量密度，但是铝水反应启动温度较高，且铝金属粉末颗粒在推进剂生产过程中容易被氧化导致其表面覆盖着一层非常致密的Al2O3薄膜，阻止铝水反应进一步发生[6]。而镁金属与水燃烧反应启动温度较低，补燃室内部金属/水掺混燃烧反应更加容易和充分，发动机燃烧效率更高，导致镁金属在目前国内水冲压发动机金属基推进剂研制中大量应用[7-9]。

在水冲压发动机工作过程中，一次燃气与水反应的掺混燃烧反应效率直接决定了水冲压发动机的比冲性能发挥情况，其中补燃室长度及进水分布的设计[10]、喷嘴结构[11-12]、进水角度[13]、水燃比[14]等参数均对水冲压发动机效率提升至关重要。但是上述文献中的金属含量较低(40%～55%),且均没有考虑一次燃气进气方式对于燃烧效率的影响。

文中试验发动机采用燃气发生器形式,推进剂选用某镁基高金属含量推进剂,方案设计一次燃气经多个进气孔进入补燃室,如图1所示,通过数值仿真开展了补燃室内燃烧流动的计算分析,并通过部分地面试验对上述数值计算进行验证,得到进气孔角度对于水冲压发动机内温度分布、组分变化以及比冲效率的影响规律,为水冲压结构优化设计和性能提升提供参考。

1 数学模型

镁基金属推进剂水冲压发动机采用具有高金属含量的镁基推进剂固体燃料，以药柱形式装填于燃烧室，燃料一次燃烧后形成富含气相、液相、固相成分的一次贫氧燃气，同时外部水在流体动压作用下通过供应管路从以水雾形式进入补燃室后，与一次燃气中的金属组分发生燃烧反应，整个过程的燃烧产物及中间产物可能有几十种之多，难以获得详尽的化学反应动力参数，现阶段要完全模拟补燃室中的燃烧流动过程是不可能的，必须适当进行简化处理。

1) 气相为理想气体；

2) 数值计算过程只考虑主要成分的化学反应过程，忽略一次燃气中的小组分及中间产物的影响；

3) 燃烧反应过程符合阿雷尼乌斯定律。

1.1 气相控制方程

根据物理假设和经典流体力学方程，补燃室内部三维气相质量、动量、能量、组分和湍流模型控制方程为：

(1)

式中:φ为流动变量;Γφ为变量φ的有效输运系数;Sφ为源项和其他项。

1.2 液滴运动轨迹

采用随机模型跟踪水滴轨迹,只考虑水滴的阻力,不考虑重力和其他力的影响,液滴运动方程如下:

(2)

式中:u为流体速度;up为颗粒速度;FD为液滴阻力。

1.3 燃烧模型

采用涡耗散模型(eddy dissemination,EDM)模拟水冲压发动机补燃室内部组分掺混燃烧反应过程,EDM模型认为化学反应速率不仅受湍流影响明显,而且与涡团中燃料、氧化剂和产物浓度有关,根据此模型,化学反应速率ωi为:

(3)

式中:Y为反应物和生成物的浓度;S为化学反应当量比;A、B为常数项。

2 计算结果和分析

根据上述数学模型,针对某水冲压发动机建立数值计算模型。发动机直径100 mm,采用某镁基高金属含量推进剂,一次燃气进口温度2 000 K,一次燃气总质量流量0.3 kg/s。补燃室入口一次燃气组分如表1所示。

表1 补燃室入口燃气质量组分

一次燃气从燃气发生器内喷出后经6个Φ20 mm的进气孔和一个Φ24 mm中心进气孔进入补燃室内部,与补燃室内雾化水蒸气进行掺混燃烧反应,其结构如图2所示,文中进气孔角度α为负值表示燃气向外扩散,α为正值表示燃气向中心线汇聚。

计算中对流项按照迎风格式离散,粘性项按照中心差分格式离散,燃气入口采用质量入口边界,出口采用压强出口边界,由于实测一次燃气温度为2 000 K左右,因此Mg组分以气相形式参与反应,MgO、C以及雾化进水通过离散相形式加入,C粒子平均粒径10 μm,水滴平均粒径约80 μm,通过Fluent求解三维稳态水冲压补燃室掺混燃烧过程,为高金属含量镁基推进剂水冲压发动机的设计和优化提供理论参考。

水冲压发动机中,发动机效率η与燃烧效率和喷管效率相关。根据该发动机效率给出了某水冲压发动机水燃比与无量纲化的发动机比冲关系,如图3所示。可以看出,数值计算结果与热力计算及试验数据吻合的较好,且均在水燃比3.5左右时,发动机比冲最大,数值计算方法和结果可信。

图4给出了水燃比一定时,不同进气孔口角度下的补燃室温度分布。图中1～5为5组雾化进水位置,其中第1～2组雾化喷嘴之间的区域为一次进水区域,第3～5雾化喷嘴之间的区域为二次进水区域。可以看出,扩散式的一次燃气入口方式补燃室内的一次进水区域的温度明显的低于中心汇聚方式,这是由于一次燃气外扩后,只有少量的镁金属进入一次补燃区域中央位置参与反应,补燃室温升不大;扩散式的一次燃气经补燃室头部壁面反弹后,在第2～3组雾化喷嘴之间的区域汇聚,同时由于多余的一次雾化进水向下游流动,导致该区域内大量的镁/水反应释放热量,该区域的补燃室温度急剧升高。显然,一次燃气扩散导致补燃室内高温区域更加集中,与之对应的,燃气汇聚使得补燃室内的温度分布更趋于均匀。

图6给出了水燃比一定时,不同入口角度下的补燃室镁金属组分质量分数。可以明显地看出,燃气扩散入口方式时的补燃室头部区域的Mg组分含量更大,但是整个镁组分的轨迹缩短,表明在补燃室中前段(第2～3组雾化喷嘴之间)区域,大量的镁组分参与燃烧反应,导致该区域内温度急剧上升,由于反应区域过于集中,导致该工况下的补燃室的最大温度显然要大于一次燃气汇聚形式,该结果与图4结果一致。

图7给出了一次进水区域内,不同轴向位置横截面上镁金属的质量分数。可以看出,与其他入口方式相比,燃气向中心汇聚后(α=8°、15°),横截面上的镁金属的平均质量分数在一次进水区域下降的更快,显然由于多股燃气流向中心汇聚后,相互碰撞,该区域内的气相湍流强度更高,燃气中的镁金属与雾化水蒸气混合程度更好,化学反应速率更快。在一、二次进水区域之间,燃气扩散入口形式的镁组分大量参与反应,表明该燃气入口方式下的金属/水反应滞后,且反应多集中在该区域,导致补燃室内部的温度分布高低温差异化增大,高温区域过于集中导致补燃室出口温度降低,与图5结果一致。

表2 一次燃气不同入口角度下的发动机性能数据

3 结论

文中数值计算了某镁基高含量金属推进剂水冲压发动机在一次燃气不同入口角度时,补燃室的温度分布、组分变化以及发动机比冲等参数的变化,为水冲压发动机性能优化设计提供理论依据。

1)燃气中心汇聚式入口方式由于多股燃气在一次进水区域内相互碰撞,气相湍流强度更高,燃气中的镁金属与雾化水蒸气混合程度更好,镁水化学反应速率更快,与扩散式燃气入口方式相比,燃气汇聚使得补燃室内的温度分布更趋于均匀。

2)发动机比冲和压强与一次燃气角度基本呈线性关系。一次燃气入口角度增大,补燃室压强和发动机比冲随之增大。

3)多孔汇聚式一次燃气入口方式有利于减少镁/水充分反应所需要的补燃室长度,优化发动机构型。

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