【摘要】：無人水下航行器(UUV)在軍事及民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,一直以來備受各國(guó)重視。動(dòng)力技術(shù)是制約其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)于航行器有著重要的作用。目前UUV主要使用電動(dòng)力推進(jìn),而現(xiàn)有電池的比能量無法滿足航行器對(duì)長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的需求,所以研究高密度燃料電池或熱電混合動(dòng)力系統(tǒng),尋求新的動(dòng)力系統(tǒng)解決途徑,對(duì)提高UUV航程,增強(qiáng)整體性能有著重要意義。本文提出了一種以金屬Li及SF_6為能源、水為工質(zhì)的熱電聯(lián)合閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)具有低輸出功率、高能量密度、產(chǎn)物無需排放等優(yōu)點(diǎn),是一種理想的UUV動(dòng)力系統(tǒng)。論文論證了系統(tǒng)方案的可行性,研究了熱管反應(yīng)器中燃燒、流動(dòng)、換熱等問題,分析了蒸發(fā)器及冷凝器中的換熱過程,討論了微型渦輪機(jī)的流場(chǎng)特性,提出了穩(wěn)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)方法,進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)的動(dòng)態(tài)仿真研究,開展了子系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)。全文主要工作如下:(1)提出了一種全新的應(yīng)用于UUV的熱電聯(lián)合閉式循環(huán)系統(tǒng)方案。建立了系統(tǒng)的仿真計(jì)算模型,分析了工質(zhì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響規(guī)律,得到了提高蒸發(fā)器進(jìn)口溫度、壓力,減小冷凝器進(jìn)口壓力可以提高系統(tǒng)效率的結(jié)論,確立了系統(tǒng)熱力參數(shù)的范圍。(2)深入研究了一種新型熱管反應(yīng)器內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換過程。建立了沿程表面蒸發(fā)的Li液在吸液芯內(nèi)流動(dòng)質(zhì)能匹配方程,得出了吸液芯絲網(wǎng)目數(shù)對(duì)有效浸潤(rùn)高度的影響規(guī)律,以及吸液芯熱流密度和有效浸潤(rùn)高度之間的制約關(guān)系。建立了含有不凝氣體的Li蒸汽冷凝換熱模型,獲得了不凝氣體及運(yùn)行工況對(duì)冷凝換熱的影響規(guī)律。研究揭示了熱管反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)、換熱規(guī)律,可為吸液芯設(shè)計(jì)、運(yùn)行工況選擇提供指導(dǎo)。(3)建立了具有相變過程的蒸發(fā)器及冷凝器的管內(nèi)一維流動(dòng)、換熱模型。對(duì)工質(zhì)沿流動(dòng)方向的溫度、壓力分布規(guī)律,以及蒸發(fā)、凝結(jié)過程中的熱阻分配規(guī)律及換熱性能進(jìn)行了分析。在研究范圍內(nèi),得到了換熱器流量及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)于換熱過程影響最大,壁面溫度影響次之,進(jìn)口溫度影響最小的結(jié)論。研究結(jié)果可以為換熱器設(shè)計(jì)、樣機(jī)性能預(yù)示提供依據(jù)。(4)建立了部分進(jìn)氣、沖動(dòng)式微型渦輪機(jī)流場(chǎng)三維數(shù)值仿真計(jì)算模型,設(shè)計(jì)了微型噴管及渦輪葉片,通過數(shù)值仿真對(duì)蒸汽的流動(dòng)及能量轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,斜噴管出口處存在膨脹不均勻性,氣流發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在連接噴管及葉片的過渡區(qū)域,存在尾跡損失及摻混損失,渦輪機(jī)葉片進(jìn)口馬赫數(shù)沿周向分布不均,進(jìn)氣區(qū)域與非進(jìn)氣區(qū)域差異顯著。提出了利用功率損失系數(shù)估算渦輪機(jī)內(nèi)部損失的方法,利用該方法可以在同一軟件環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí),快速、合理地估算渦輪機(jī)的效率。(5)提出了熱電聯(lián)合閉式循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)方法,并給出設(shè)計(jì)參數(shù)�；谫|(zhì)量守恒、能量守恒方程,將蒸發(fā)器及冷凝器進(jìn)行分區(qū),建立了移動(dòng)邊界數(shù)學(xué)模型、渦輪機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型及集液器的動(dòng)態(tài)模型。明確了各主要部件的接口關(guān)系,建立的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型,可采用直接求解的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算,獲得了系統(tǒng)在循環(huán)工質(zhì)流量變化條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。研究結(jié)果可以為樣機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)提供依據(jù)。(6)開展了熱管反應(yīng)器系統(tǒng)及渦輪機(jī)系統(tǒng)地面原理樣機(jī)單項(xiàng)試驗(yàn),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可實(shí)現(xiàn)性及理論研究的正確性,獲得了子系統(tǒng)的運(yùn)行特性,為進(jìn)一步開展系統(tǒng)集成試驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U674.941;TJ6
【圖文】：

圖 1-1“蛟龍?zhí)枴鄙詈摵狡髌骷夹g(shù)領(lǐng)域，我國(guó)科技工作者同樣有著可喜的成績(jī)滑翔機(jī)[15-17]成功通過測(cè)試，創(chuàng)造了中國(guó)水下滑翔徑 0.3 米，重約 70 千克，最大工作深度 1500 米，間斷工作 30 天左右；其負(fù)載能力 5 千克，可以搭探測(cè)�！昂Ｑ唷彼禄铏C(jī)如圖 1-2 所示。

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圖 1-2“海燕”水下滑翔機(jī)在海洋探測(cè)、搜尋工作中具有很大的需求。在沉船打撈�？梢钥吹剿潞叫衅鞯纳碛�。而最為引人注目的，當(dāng)機(jī)失蹤事件“藍(lán)鰭金槍魚-21”自主航行器在搜救工作中水下搜尋研發(fā)的設(shè)備，其下潛深度達(dá)水下 4500 米，搭水下物體。由于其擅長(zhǎng)在較短距離內(nèi)定點(diǎn)查找，而需要無果后，最終放棄任務(wù)。盡管沒有找到客機(jī)黑匣子，但，代表了現(xiàn)階段無人水下航行器的發(fā)展水平�！八{(lán)鰭金槍示。

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本文編號(hào)：2792761