[發明專利]一種高金屬含量水沖壓發動機燃速理論預示方法

有效

• 申請號: 201810092817.4
• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN108304690B
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發明（設計）人: 胡凡;董戈;張煒;張士峰;江振宇;張為華
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G16C20/10
• 分類號: G16C20/10
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 董惠文

1.一種高金屬含量水沖壓發動機燃速理論預示方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：

步驟S100：建立水反應金屬燃料點火過程的燃料燃燒模型；

步驟S200：建立水反應金屬燃料的點火藥燃燒模型；

步驟S300：發動機內流場計算域中燃料燃燒、點火藥燃燒和氣相湍流燃燒的瞬態耦合計算；

所述水反應金屬燃料包括含金屬質量分數高于50％的鎂或鋁和高氯酸銨和端羥基聚丁二烯燃料；所述步驟S100包括以下步驟：

步驟S110：通過熱力計算確定水反應金屬燃料在燃燒平衡時的燃燒產物，根據所述燃燒產物確定所述水反應金屬燃料中氣相反應區的主反應；

步驟S120：根據所述主反應建立響應燃面溫度的燃料燃燒模型；

步驟S130：估計燃料燃燒的熱力學平衡燃面溫度：以燃面溫度為橫軸、燃料向流場放熱量為縱軸建立坐標，由上述步驟S120的燃料燃燒模型計算燃料向流場放熱量隨燃面溫度變化曲線，曲線與橫軸的負斜率交點即為燃料燃燒的熱力學平衡燃面溫度；

步驟S140：估計進水量取值范圍：假定進水量，在上述步驟S130的燃料燃燒模型計算得到的燃料向流場放熱量的基礎上，附加進水吸熱量、金屬/水反應放熱量，以燃面溫度為橫軸、流場總放熱量為縱軸建立坐標，計算流場總放熱量隨燃面溫度變化曲線，由曲線與橫軸的負斜率交點評判設計進水量的合理性。

2.如權利要求1所述的高金屬含量水沖壓發動機燃速理論預示方法，其特征在于：步驟S120中的響應燃面溫度的燃料燃燒模型包括：燃料組份燃燒面積模型、燃料燃速模型、燃氣組份質量流量模型、燃氣速度模型和燃料放熱模型；

其中，燃料組份燃燒面積模型建立過程為：球形AP顆粒、Mg顆粒與連續相HTPB遵循平行層退移假設，組份燃燒面積由各自質量分數和密度決定，根據平面幾何學推導得：

下標Mg、AP和HTPB分別代指燃料體系中的Mg、AP和HTPB；ρ_x和S_x分別代表下標為x的組份的密度和燃燒面積，α、β、γ分別為燃料體系中AP、HTPB和Mg的質量分數，S_t為燃料總燃面的平面面積；

燃料燃速模型建立方法為：大部分鎂顆粒在燃料燃燒過程只發生相變，不能阻止燃面退移；考慮由AP和HTPB組成的單元，燃料燃速r由AP分解控制，并遵循零級阿累尼烏斯公式；AP和HTPB質量消耗率與其質量分數成正比，即：

下標AH為由AP和HTPB組成的單元；為AH單元的平均密度，由AP和HTPB的密度和質量分數計算得到；R為通用氣體常數；T_S為燃面溫度；A_AP和E_AP分別為AP分解的指前因子和活化能；

燃氣組份質量流量模型由S100步驟簡化得到的主要氣相反應和燃料燃速模型推導確定；

燃氣速度模型由動量守恒關系確定；

燃料放熱模型建立方法為：

當燃面溫度T_s低于燃料的著火溫度T_C時，單位時間燃料向環境的放熱量Q包括：AP的分解放熱、HTPB的分解放熱和鎂的焓變吸熱：

為化學名稱為_i的組份在T_j溫度下的標準生成焓；q_AP和q_HTPB分別為AP和HTPB的單位質量分解熱；和分別為AP和HTPB的單位時間質量消耗量，為燃面退移過程中暴露出燃面的鎂的全部質量；

當燃面溫度T_s達到燃料的著火溫度T_C后，將過程分為燃料熱分解和燃氣升溫兩個步驟：固體AP、HTPB和鎂顆粒一次燃燒并升溫至T_C，此后一次燃燒產物繼續升溫至燃面溫度T_s，單位時間燃料向環境的放熱量Q為：

k取值為0、1、2…n時分別對應燃料燃燒的n+1種熱力計算產物，為單位時間第k種組份的質量生成率；當k對應組份為主要燃燒反應的生成物時，q_k為生成單位質量該組份的燃燒放熱量，若不是，q_k取零；為第k種組份在T_j溫度下的標準生成焓。