[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

一種基于燃面平衡溫度的高金屬含量水沖壓發動機燃速理論預示方法，首先建立水沖壓發動機燃料點火過程燃燒模型，它克服傳統固體燃料燃速模型(維耶里公式)需由試驗結果擬合待定參數、而組織高金屬含量水沖壓發動機試驗需以掌握燃料燃速為前提的矛盾，可用于確定燃料燃面熱力學平衡溫度的估計值和合理進水量設計的大致范圍；再結合水反應金屬燃料點火藥燃燒模型，將燃料和點火藥向流場的質量、動量、能量輸運量分別轉化為靠近燃面第一層網格和點火藥覆蓋區域網格的源項，實現發動機內流場氣/固/液多相耦合計算，可用于獲得點火過程燃料燃面溫度分布，進而預測發動機燃速并判別發動機點火及工作狀態。

技術領域

本發明涉及發動機多場多相耦合仿真計算技術領域，具體的涉及一種基于燃面平衡溫度的高金屬含量水沖壓發動機燃速理論預示方法。

背景技術

水沖壓發動機是一種以水反應金屬(鎂、鋁等)為主要組份的富燃料推進系統，發動機自身攜帶極少氧化劑，利用航行器外海水作為氧化劑及工質，結合“超空泡”減阻技術，可使水下航行器實現高達200節的航行速度，彌補螺旋槳推進時航速較低或固體火箭發動機推進時航程較短的不足。燃料分解及燃燒的產物在燃燒室與海水劇烈反應，構成發動機主要熱-動能轉換來源。理論上，增加燃料體系金屬含量有利于增強燃燒室反應放熱、提高比沖，但同時，會造成氧化劑含量相對減少，燃料自身燃燒減弱，燃料點火及燃燒室金屬-水反應啟動的難度增加。

高金屬含量水沖壓發動機燃料自身點火困難，單獨燃料的燃速測試試驗難以進行；水蒸汽環境下的燃速測量未考慮實際過程冷態進水的蒸發吸熱影響，測試結果存在偏差；完整發動機試驗中進水量依賴燃料燃速確定，燃速未知時，極可能因進水量設計不當導致熄火或爆炸等點火失敗現象，發動機試驗難度較大。

因此，掌握高金屬含量水沖壓發動機點火過程燃料燃燒規律是有效開展發動機試驗的前提。現有固體燃料燃速計算方法通常基于大量燃速測試數據擬合燃速系數和壓強指數，采用以燃燒室壓強為特征變量的維耶里經驗公式來描述燃速，該“由試驗到模型”的技術路線并不適用于高金屬含量水沖壓發動機。

建立一種不依賴或少依賴試驗數據的高金屬含量水沖壓發動機點火過程燃料燃燒狀態計算方法，對于探索點火藥、進水等因素對燃料燃燒影響規律、有效組織發動機試驗具有重要意義。燃料燃面溫度和燃速是判斷發動機點火及工作狀態的重要特征參數，上述點火過程燃料燃燒狀態計算可轉換為燃料燃面溫度和燃速計算。

發明內容

因此，本發明提供了一種高金屬含量水沖壓發動機燃速理論預示方法，它基于燃面平衡溫度，該方法建立了水沖壓發動機燃料點火過程燃燒模型，該模型克服了傳統固體燃料燃速模型(維耶里公式)需由試驗結果擬合待定參數、而組織高金屬含量水沖壓發動機試驗需以掌握燃料燃速為前提的矛盾，可用于確定燃料燃面熱力學平衡溫度的估計值和合理進水量設計的大致范圍；再結合包括點火藥燃氣質量流率模型及點火藥能量釋放速率模型的水反應金屬燃料點火藥燃燒模型，將燃料和點火藥向流場的質量、動量、能量輸運量分別轉化為靠近燃面第一層網格和點火藥覆蓋區域網格的源項，實現了一種發動機內流場氣/固/液多相耦合計算，可用于獲得點火過程燃料燃面溫度分布，進而預示發動機燃速并判別發動機點火及工作狀態。

根據發明的一個方面，提供了一種高金屬含量水沖壓發動機燃速理論預示方法，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。

進一步的，上述水反應金屬燃料包括含金屬質量分數高于50％的鎂(Mg)或鋁(Al)和高氯酸銨(AP)和端羥基聚丁二烯(HTPB)燃料。

更進一步的，上述步驟S100包括以下步驟：