【摘要】：水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是一種新型水反應(yīng)高能量密度推進(jìn)系統(tǒng),燃料中金屬含量增加可顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能,但也給點(diǎn)火啟動(dòng)帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。高金屬含量水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程理論研究復(fù)雜,試驗(yàn)研究難度高成本大,本文以水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式,開(kāi)展高金屬含量水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程及其影響因素研究�；诂F(xiàn)有試驗(yàn)和熱力計(jì)算結(jié)果,分析水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)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(diǎn)火過(guò)程自持燃燒模型;試驗(yàn)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(duì)燃料自持燃燒的影響,結(jié)果表明當(dāng)點(diǎn)火藥能量足以維持燃料升溫和進(jìn)水焓變吸熱時(shí),進(jìn)水量增加有利于提高系統(tǒng)的平衡溫度;當(dāng)點(diǎn)火藥能量不足時(shí),進(jìn)水會(huì)降低系統(tǒng)平衡溫度,甚至導(dǎo)致熄火;存在進(jìn)水后仍可維持發(fā)動(dòng)機(jī)自持燃燒的點(diǎn)火藥能量最小值。建立了水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程多相湍流計(jì)算模型和點(diǎn)火藥傳熱模型,結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)自持燃燒模型,實(shí)現(xiàn)了基于商業(yè)軟件的點(diǎn)火藥/自持燃燒/多相湍流燃燒耦合計(jì)算方法,與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證,表明仿真具有較高精度。建立了水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,分析了無(wú)進(jìn)水時(shí)不同點(diǎn)火藥類型、點(diǎn)火藥量下發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程的流場(chǎng)特征及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能的影響,提出點(diǎn)火藥類型和點(diǎn)火藥量的較優(yōu)設(shè)計(jì)方案,分析了一次進(jìn)水時(shí)間和一次進(jìn)水量下發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬態(tài)過(guò)程流場(chǎng)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(shí)燃料燃面溫度較低,仍滿足燃料著火條件,且點(diǎn)火延遲時(shí)間短;點(diǎn)火藥量過(guò)大時(shí),點(diǎn)火壓力峰值可能超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載;黑火藥點(diǎn)火時(shí),一次進(jìn)水時(shí)刻處于點(diǎn)火壓力峰之前,點(diǎn)火過(guò)程壓強(qiáng)峰值較大,發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)燃燒延時(shí)較短;一次進(jìn)水量較大時(shí),進(jìn)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(qiáng)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供重要參考,促進(jìn)未來(lái)高速水中兵器噴氣推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,對(duì)其他動(dòng)力系統(tǒng)多相耦合點(diǎn)火過(guò)程研究也具有重要的參考價(jià)值。
【圖文】：

和潛艇等的水下兵器，受到世界各軍事強(qiáng)國(guó)的廣泛重視。一般而言，魚(yú)雷航速在 1.5 倍目標(biāo)航速以上時(shí)才能滿足攻擊目標(biāo)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(guó) MK-48 系列重型魚(yú)雷，俄羅斯 65-76 熱動(dòng)力魚(yú)雷，意大利“黑鯊”重型電動(dòng)魚(yú)雷等代表性常規(guī)魚(yú)雷多采用螺旋槳推進(jìn)的動(dòng)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(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)雖然不受推進(jìn)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(yú)雷航程。為了同時(shí)滿足高航速、遠(yuǎn)航程的魚(yú)雷作戰(zhàn)應(yīng)用需求，上世紀(jì)中后期，美俄先后提出了結(jié)合水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和“超空泡”減阻技術(shù)的高速魚(yú)雷（如圖 1.1）概念，其推進(jìn)系統(tǒng)工作過(guò)程示意如圖1.2 所示：發(fā)動(dòng)機(jī)自攜帶的水反應(yīng)金屬燃料在外部點(diǎn)火能量的激勵(lì)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(dòng)機(jī)內(nèi)形成高溫高壓工作環(huán)境；海水受流體動(dòng)壓壓差驅(qū)動(dòng)通過(guò)供水管路進(jìn)入燃燒室，部分進(jìn)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?xì)浠衔锓磻?yīng)放出熱量；其余進(jìn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力，實(shí)現(xiàn)水下航行器的高速航行[3]。

其推進(jìn)系統(tǒng)工作過(guò)程示意如圖1.2 所示：發(fā)動(dòng)機(jī)自攜帶的水反應(yīng)金屬燃料在外部點(diǎn)火能量的激勵(lì)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(dòng)機(jī)內(nèi)形成高溫高壓工作環(huán)境；海水受流體動(dòng)壓壓差驅(qū)動(dòng)通過(guò)供水管路進(jìn)入燃燒室，部分進(jìn)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?xì)浠衔锓磻?yīng)放出熱量；其余進(jìn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力，實(shí)現(xiàn)水下航行器的高速航行[3]。圖 1.1 超高速魚(yú)雷結(jié)構(gòu)示意圖 圖 1.2 水沖壓推進(jìn)系統(tǒng)工作過(guò)程示意圖與傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料體系僅含有滿足燃料一次
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TJ630.32

【參考文獻(xiàn)】

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2 張亞俊;王yN;李吉禎;劉芳莉;齊曉飛;;高速魚(yú)雷水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)用金屬/水反應(yīng)燃料研究進(jìn)展[J];四川兵工學(xué)報(bào);2013年05期

3 楊亞晶;何茂剛;;鎂基水反應(yīng)金屬燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性[J];熱能動(dòng)力工程;2012年02期

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5 胡凡;鎂基燃料水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)理論分析與試驗(yàn)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

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本文編號(hào)：2648204