【摘要】：水沖壓發(fā)動機是一種新型水反應(yīng)高能量密度推進系統(tǒng),燃料中金屬含量增加可顯著提高發(fā)動機性能,但也給點火啟動帶來更多挑戰(zhàn)。高金屬含量水沖壓發(fā)動機點火瞬態(tài)過程理論研究復(fù)雜,試驗研究難度高成本大,本文以水沖壓發(fā)動機為研究對象,采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式,開展高金屬含量水沖壓發(fā)動機點火瞬態(tài)過程及其影響因素研究�；诂F(xiàn)有試驗和熱力計算結(jié)果,分析水沖壓發(fā)動機點火過程不同階段燃料熱分解特性和組份構(gòu)成;基于固相著火理論、化學(xué)反應(yīng)平衡定律和能量守恒定律建立點火過程自持燃燒模型;試驗表明物理、數(shù)學(xué)模型具有合理性�；谠撃Ｐ头治隽随V/水反應(yīng)對燃料自持燃燒的影響,結(jié)果表明當(dāng)點火藥能量足以維持燃料升溫和進水焓變吸熱時,進水量增加有利于提高系統(tǒng)的平衡溫度;當(dāng)點火藥能量不足時,進水會降低系統(tǒng)平衡溫度,甚至導(dǎo)致熄火;存在進水后仍可維持發(fā)動機自持燃燒的點火藥能量最小值。建立了水沖壓發(fā)動機點火過程多相湍流計算模型和點火藥傳熱模型,結(jié)合發(fā)動機自持燃燒模型,實現(xiàn)了基于商業(yè)軟件的點火藥/自持燃燒/多相湍流燃燒耦合計算方法,與試驗結(jié)果對比驗證,表明仿真具有較高精度。建立了水沖壓發(fā)動機點火性能評價指標體系,分析了無進水時不同點火藥類型、點火藥量下發(fā)動機點火瞬態(tài)過程的流場特征及對發(fā)動機點火性能的影響,提出點火藥類型和點火藥量的較優(yōu)設(shè)計方案,分析了一次進水時間和一次進水量下發(fā)動機點火瞬態(tài)過程流場特征及其影響。研究表明:黑火藥與硼/硝酸鉀相比,燃料自持燃燒平衡建立時燃料燃面溫度較低,仍滿足燃料著火條件,且點火延遲時間短;點火藥量過大時,點火壓力峰值可能超過發(fā)動機負載;黑火藥點火時,一次進水時刻處于點火壓力峰之前,點火過程壓強峰值較大,發(fā)動機實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)燃燒延時較短;一次進水量較大時,進水吸熱較多造成燃燒室鎂蒸氣質(zhì)量減小,燃燒室平衡壓強降低。本文研究成果與結(jié)論可為高金屬含量水沖壓發(fā)動機設(shè)計提供重要參考,促進未來高速水中兵器噴氣推進系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,對其他動力系統(tǒng)多相耦合點火過程研究也具有重要的參考價值。
【圖文】：

和潛艇等的水下兵器，受到世界各軍事強國的廣泛重視。一般而言，魚雷航速在 1.5 倍目標航速以上時才能滿足攻擊目標的要求[1]，目前，航空母艦等大型水面艦艇航速為 25~35kn 左右，并配備十分完善的反導(dǎo)手段，而美國 MK-48 系列重型魚雷，俄羅斯 65-76 熱動力魚雷，意大利“黑鯊”重型電動魚雷等代表性常規(guī)魚雷多采用螺旋槳推進的動力裝置，難于突破 70kn 的極限速度[2]，，攻擊力有限；固體火箭發(fā)動機推進系統(tǒng)雖然不受推進器限制，但需自攜帶大量氧化劑，大幅降低燃料能量密度，縮短魚雷航程。為了同時滿足高航速、遠航程的魚雷作戰(zhàn)應(yīng)用需求，上世紀中后期，美俄先后提出了結(jié)合水沖壓發(fā)動機技術(shù)和“超空泡”減阻技術(shù)的高速魚雷（如圖 1.1）概念，其推進系統(tǒng)工作過程示意如圖1.2 所示：發(fā)動機自攜帶的水反應(yīng)金屬燃料在外部點火能量的激勵下著火、燃燒，生成含有大量凝相金屬微粒和氣態(tài)金屬的富燃燃燒產(chǎn)物，在發(fā)動機內(nèi)形成高溫高壓工作環(huán)境；海水受流體動壓壓差驅(qū)動通過供水管路進入燃燒室，部分進水經(jīng)噴射霧化后受熱蒸發(fā)，與燃料自持燃燒產(chǎn)物中的金屬和碳氫化合物反應(yīng)放出熱量；其余進水吸收燃料/水反應(yīng)產(chǎn)生熱量，轉(zhuǎn)化為水蒸汽，增加發(fā)動機工質(zhì)；燃燒產(chǎn)物及水蒸汽經(jīng)噴管膨脹后排出做功，使發(fā)動機產(chǎn)生推力，實現(xiàn)水下航行器的高速航行[3]。

其推進系統(tǒng)工作過程示意如圖1.2 所示：發(fā)動機自攜帶的水反應(yīng)金屬燃料在外部點火能量的激勵下著火、燃燒，生成含有大量凝相金屬微粒和氣態(tài)金屬的富燃燃燒產(chǎn)物，在發(fā)動機內(nèi)形成高溫高壓工作環(huán)境；海水受流體動壓壓差驅(qū)動通過供水管路進入燃燒室，部分進水經(jīng)噴射霧化后受熱蒸發(fā)，與燃料自持燃燒產(chǎn)物中的金屬和碳氫化合物反應(yīng)放出熱量；其余進水吸收燃料/水反應(yīng)產(chǎn)生熱量，轉(zhuǎn)化為水蒸汽，增加發(fā)動機工質(zhì)；燃燒產(chǎn)物及水蒸汽經(jīng)噴管膨脹后排出做功，使發(fā)動機產(chǎn)生推力，實現(xiàn)水下航行器的高速航行[3]。圖 1.1 超高速魚雷結(jié)構(gòu)示意圖 圖 1.2 水沖壓推進系統(tǒng)工作過程示意圖與傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機相比，水沖壓發(fā)動機的燃料體系僅含有滿足燃料一次
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TJ630.32

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

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本文編號：2648204