镁基燃料水冲压发动机理论分析与试验研究

论文摘要

水冲压发动机属新概念推进系统,采用高能金属燃料,利用海水作为氧化剂,具有比冲高、结构简单和安全性好等优点,是满足未来水中兵器高航速和远航程的最佳动力系统。本文以镁基燃料水冲压发动机为研究对象,采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法,对发动机工作过程及性能开展系统研究,实现了发动机稳定工作,提高了发动机性能,为发动机设计提供了理论基础。在分析水冲压发动机工作过程基础上,建立了发动机热力循环模型,应用热力计算方法研究了金属燃料配方、工作参数及凝相产物对发动机理论性能的影响,分析了壅塞式和非壅塞式发动机构型性能调节能力,重点研究了非壅塞式构型性能调节特点和规律。建立了镁基燃料水冲压发动机一维两相多组分反应流计算模型,推导了镁水化学反应动力学模型,进行了发动机流场一维数值模拟,通过与试验结果对比分析,对程序有效性进行验证并修正模型,分析了稳态工作时发动机一次和两次进水流场特性,为在设计阶段快速获得性能参数提供了研究手段。建立了发动机内三维多相湍流仿真模型,开展了发动机内流场三维数值模拟研究,分析了一次与两次进水后发动机内燃烧流动过程,将仿真结果与试验测量结果比较,验证了模型正确性,为研究发动机构型及工作参数对性能影响提供了理论基础。通过发动机内三维数值模拟,研究了进水量、射流速度、进水孔数、雾化液滴直径、进水位置及发动机结构等因素对发动机性能的影响,得到不同构型和进水参数下发动机内流场分布及性能变化规律,为合理设计发动机和提高发动机性能提供了理论依据。设计了水冲压发动机试验系统及发动机,提出了工作参数设计及试验数据处理方法,通过试验研究了镁基燃料一次燃烧性能,实现了发动机进水后稳定工作,研究了四种发动机构型、一次水燃比和燃速等对发动机工作过程和燃烧效率的影响,进行了发动机两次进水试验,显著提高了发动机性能,试验结果为水冲压发动机研制与应用提供了重要技术支撑。本文研究成果将促进镁基燃料水冲压发动机应用技术的发展,对未来高速水中兵器动力系统研究具有重要理论价值和工程实践意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 水冲压发动机及其应用
• 1.2.2 水冲压发动机理论研究
• 1.2.3 水冲压发动机试验研究
• 1.2.4 发动机一维多相流仿真研究
• 1.2.5 发动机多相燃烧流动过程数值模拟研究
• 1.3 本文研究内容及章节安排
• 第二章 镁基燃料水冲压发动机理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 镁基燃料水冲压发动机工作过程分析
• 2.3 水冲压发动机理论性能分析
• 2.3.1 金属燃料配方对发动机性能影响分析
• 2.3.2 工作参数对发动机性能影响分析
• 2.3.3 凝相产物对发动机性能影响分析
• 2.4 镁基燃料水冲压发动机构型分析
• 2.4.1 不同构型发动机自调节特性分析
• 2.4.2 计算结果及分析
• 2.5 小结
• 第三章 镁基燃料水冲压发动机一维多相流动仿真
• 3.1 引言
• 3.2 数学物理模型
• 3.2.1 气相控制方程
• 3.2.2 离散相控制方程
• 3.2.3 两相耦合模型
• 3.2.4 化学动力学模型
• 3.2.5 边界条件及计算方法
• 3.3 计算算例及模型验证
• 3.4 计算结果及分析
• 3.4.1 一次进水计算结果分析
• 3.4.2 二次进水计算结果分析
• 3.5 小结
• 第四章 镁基燃料水冲压发动机多相湍流流场仿真
• 4.1 引言
• 4.2 物理数学模型
• 4.2.1 气相控制方程
• 4.2.2 离散相控制方程及两相耦合模型
• 4.2.3 湍流模型
• 4.2.4 化学动力学模型
• 4.2.5 边界条件
• 4.2.6 初始条件
• 4.3 计算算例及模型验证
• 4.3.1 计算条件及网格划分
• 4.3.2 理论验证
• 4.3.3 试验验证
• 4.4 发动机两次进水数值模拟及结果分析
• 4.4.1 计算条件及网格划分
• 4.4.2 计算结果与分析
• 4.5 小结
• 第五章 镁基燃料水冲压发动机性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 发动机进水参数对性能影响分析
• 5.2.1 一次进水参数对发动机性能影响
• 5.2.2 二次进水参数对发动机性能影响
• 5.3 发动机构型对性能影响分析
• 5.3.1 计算条件及网格划分
• 5.3.2 计算结果对比分析
• 5.4 小结
• 第六章 镁基燃料水冲压发动机试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 发动机试验研究基础
• 6.2.1 试验系统
• 6.2.2 试验发动机及参数设计
• 6.2.3 试验数据处理方法
• 6.3 金属燃料燃烧试验研究
• 6.4 发动机一次进水试验研究
• 6.4.1 发动机一次进水稳定工作试验
• 6.4.2 发动机构型试验研究
• 6.4.3 一次水燃比对比试验研究
• 6.4.4 不同燃速金属燃料对比试验研究
• 6.5 发动机两次进水试验研究
• 6.6 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士论文期间参加的科研项目