[發明專利]一種氫氧燃燒室動態特性快速預測方法

在審

• 申請號: 201410460336.6
• 申請日: 2014-09-04
• 公開（公告）號: CN105653829A
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發明（設計）人: 張振山;張方方;梁偉閣;譚思煒
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬工程熱力學領域，具體涉及水下氣氫氣氧燃燒室動態特性的快速預測。

背景技術

氫氧能源具有化學反應過程簡單、燃燒穩定性好、理論比沖大、無污染等特點，已廣泛應用于空 間推進系統。氫氧能源用于空間推進系統的研究主要集中在催化點火、試驗研究和數值模擬等方面。氫氧 催化點火主要研究了催化介質、催化劑面積體積比、催化點火結構、氫氧混合比以及供給壓力對催化點火 時間及其點火可靠性的影響，并對催化組件的耐溫性和防水性提出要求。氫氧燃燒試驗主要研究了可替代 光學儀器的試驗測試方法、燃燒效率的主要影響因素以及不同相態氧化劑在可靠點火和穩定燃燒方面的優 劣。氫氧燃燒數值模擬主要研究了各參數的空間分布情況以及不同計算模型在捕捉大流量氫氧燃燒室壓力 震蕩及其震蕩頻率方面的優劣。然而，水下氣氫氣氧燃燒室在結構組成、燃燒組織方式等方面具有特殊性， 對其性能的研究有別于空間推進氫氧燃燒室。

針對水下氣氫氣氧燃燒室動態性能的現有研究主要有二：一是建立了水下氫氧燃燒室各參數沿軸 向變化的一維數學模型，并分析了各輸入參數變化對燃燒過程的影響，進而為燃燒室初步設計提供參考依 據；二是建立各參數空間分布的三維模型，并就入口氫氣含濕量以及摻混冷卻水噴嘴位置、安裝方式對氫 氧點火可靠性、燃燒穩定性的影響開展仿真研究，進而更加有效地指導燃燒室設計。上述研究的目的在于 設計結構合理、點火可靠、摻混充分、燃燒穩定的水下氫氧燃燒室，其采用偏微分方程組描述各參量的空 間分布情況，建模過程復雜且難以編程實現，且其弱化了各參量隨時間的變化規律，為此，本發明采用一 組常微分方程組描述氫氧燃燒室各參數隨時間的變化規律，避免偏微分方程組建模計算復雜性的同時，便 于氫氧燃燒控制算法的實現；本發明簡單可靠，便于工程實踐中使用。

發明內容

發明目的

為了克服現有方法建模復雜且難以編程實現的不足，本發明提供了一種氫氧燃燒室動態特性快速 預測方法，采用一組常微分方程組描述氫氧燃燒室各參數隨時間的變化規律，便于氫氧燃燒控制算法的實 現；本發明運算速度快、簡單可靠，提高了氫氧燃燒室動態性能預測效率。

本發明的技術方案包括以下步驟：

步驟一、基于噴管原理和噴嘴最大流量原理分別計算可壓縮和不可壓縮流體流入、流出燃燒室的 質量流量；

步驟二、利用質量守恒定律和能量守恒定律推導燃燒室內氣相、液相質量、溫度變化所滿足的方 程式；

步驟三、利用液滴群蒸發模型考慮氣液相的相間作用。

所述的步驟一包括以下步驟：

1)根據噴管是否處于臨界狀態計算可壓縮流體氫氣、氧氣、過熱蒸汽流入燃燒室的質量流量，并 計算燃燒室混合氣體流出燃燒室的質量流量；

2)燃燒室出口各成分氣體的含量直接關系整個動力系統的安全性，故需根據燃燒室內各成分氣體 質量百分比計算其出流質量流量；

3)根據噴嘴最大流量原理計算不可壓縮流體摻混冷卻水流入燃燒室的質量流量。

所述的步驟二包括以下步驟：

1)針對該型燃燒室特有的燃燒組織方式，由氫氣流入質量流量、加濕氫氣的蒸汽質量流量、氧氣 流入質量流量、螺旋管出口蒸汽質量流量以及燃燒室混合氣體流出燃燒室的質量流量，并考慮摻混冷卻水 蒸發質量流量，根據質量守恒定律得到燃燒室內氣相質量隨時間變化的方程；

2)由各成分氣體的質量流量計算其摩爾流量，由真實氣體摩爾生成焓計算方法和赫斯定律計算Δt 時間內工質熱力狀態轉變引起的放熱熱流量和氫氧反應的放熱熱流量，并考慮氣液對流換熱作用下氣相放 熱熱流量，根據能量守恒定律得到燃燒室內氣相溫度隨時間變化的方程；

3)由燃燒室摻混冷卻水質量流量及其蒸發質量流量，根據質量守恒定律得到燃燒室內液相質量隨 時間變化的方程；

4)由氣液對流換熱熱流量和液相蒸發放熱熱流量，根據能量守恒定律得到燃燒室內液相溫度隨時 間變化的方程。

為使氣相各參數微分方程組封閉，需利用SHBWR狀態方程建立室內壓力變化函數。

所述的步驟三包括以下步驟：

1)根據不斷變化的燃燒室壓力適時計算其對應的水滴蒸發飽和溫度，并據此判斷水滴蒸發所處的 不同階段；