[发明专利]一种高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法

说明书

一种基于燃面平衡温度的高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法，首先建立水冲压发动机燃料点火过程燃烧模型，它克服传统固体燃料燃速模型(维耶里公式)需由试验结果拟合待定参数、而组织高金属含量水冲压发动机试验需以掌握燃料燃速为前提的矛盾，可用于确定燃料燃面热力学平衡温度的估计值和合理进水量设计的大致范围；再结合水反应金属燃料点火药燃烧模型，将燃料和点火药向流场的质量、动量、能量输运量分别转化为靠近燃面第一层网格和点火药覆盖区域网格的源项，实现发动机内流场气/固/液多相耦合计算，可用于获得点火过程燃料燃面温度分布，进而预测发动机燃速并判别发动机点火及工作状态。

技术领域

本发明涉及发动机多场多相耦合仿真计算技术领域，具体的涉及一种基于燃面平衡温度的高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法。

背景技术

水冲压发动机是一种以水反应金属(镁、铝等)为主要组份的富燃料推进系统，发动机自身携带极少氧化剂，利用航行器外海水作为氧化剂及工质，结合“超空泡”减阻技术，可使水下航行器实现高达200节的航行速度，弥补螺旋桨推进时航速较低或固体火箭发动机推进时航程较短的不足。燃料分解及燃烧的产物在燃烧室与海水剧烈反应，构成发动机主要热-动能转换来源。理论上，增加燃料体系金属含量有利于增强燃烧室反应放热、提高比冲，但同时，会造成氧化剂含量相对减少，燃料自身燃烧减弱，燃料点火及燃烧室金属-水反应启动的难度增加。

高金属含量水冲压发动机燃料自身点火困难，单独燃料的燃速测试试验难以进行；水蒸汽环境下的燃速测量未考虑实际过程冷态进水的蒸发吸热影响，测试结果存在偏差；完整发动机试验中进水量依赖燃料燃速确定，燃速未知时，极可能因进水量设计不当导致熄火或爆炸等点火失败现象，发动机试验难度较大。

因此，掌握高金属含量水冲压发动机点火过程燃料燃烧规律是有效开展发动机试验的前提。现有固体燃料燃速计算方法通常基于大量燃速测试数据拟合燃速系数和压强指数，采用以燃烧室压强为特征变量的维耶里经验公式来描述燃速，该“由试验到模型”的技术路线并不适用于高金属含量水冲压发动机。

建立一种不依赖或少依赖试验数据的高金属含量水冲压发动机点火过程燃料燃烧状态计算方法，对于探索点火药、进水等因素对燃料燃烧影响规律、有效组织发动机试验具有重要意义。燃料燃面温度和燃速是判断发动机点火及工作状态的重要特征参数，上述点火过程燃料燃烧状态计算可转换为燃料燃面温度和燃速计算。

发明内容

因此，本发明提供了一种高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法，它基于燃面平衡温度，该方法建立了水冲压发动机燃料点火过程燃烧模型，该模型克服了传统固体燃料燃速模型(维耶里公式)需由试验结果拟合待定参数、而组织高金属含量水冲压发动机试验需以掌握燃料燃速为前提的矛盾，可用于确定燃料燃面热力学平衡温度的估计值和合理进水量设计的大致范围；再结合包括点火药燃气质量流率模型及点火药能量释放速率模型的水反应金属燃料点火药燃烧模型，将燃料和点火药向流场的质量、动量、能量输运量分别转化为靠近燃面第一层网格和点火药覆盖区域网格的源项，实现了一种发动机内流场气/固/液多相耦合计算，可用于获得点火过程燃料燃面温度分布，进而预示发动机燃速并判别发动机点火及工作状态。

根据发明的一个方面，提供了一种高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S100：建立水反应金属燃料点火过程的燃料燃烧模型；

步骤S200：建立水反应金属燃料的点火药燃烧模型；

步骤S300：发动机内流场计算域中燃料燃烧、点火药燃烧和气相湍流燃烧的瞬态耦合计算。

进一步的，上述水反应金属燃料包括含金属质量分数高于50％的镁(Mg)或铝(Al)和高氯酸铵(AP)和端羟基聚丁二烯(HTPB)燃料。

更进一步的，上述步骤S100包括以下步骤：