CN108304690A - 一种高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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：
步骤S110：通过热力计算确定水反应金属燃料在燃烧平衡时的燃烧产物，根据所述燃烧产物确定所述燃烧体系中气相反应区的主反应；
步骤S120：根据所述主反应建立响应燃面温度的燃料燃烧模型；
步骤S130：估计燃料燃烧的热力学平衡燃面温度：以燃面温度为横轴、燃料向流场放热量为纵轴建立坐标，由上述步骤S120的燃料燃烧模型计算燃料向流场放热量随燃面温度变化曲线，曲线与横轴的负斜率交点即为燃料燃烧的热力学平衡燃面温度；
步骤S140：估计进水量取值范围：假定进水量，在上述步骤S130的燃料燃烧模型计算得到的燃料向流场放热量的基础上，附加进水吸热量、金属/水反应放热量，以燃面温度为横轴、流场总放热量为纵轴建立坐标，计算流场总放热量随燃面温度变化曲线，由曲线与横轴的负斜率交点评判设计进水量的合理性。
更进一步的，上述步骤S120中的响应燃面温度的燃料燃烧模型包括：燃料组份燃烧面积模型、燃料燃速模型、燃气速度模型、燃料放热模型和燃气组份质量流量模型；各模型的建立过程如下：
燃料组份燃烧面积模型：
球形AP颗粒、Mg颗粒与连续相HTPB遵循平行层退移假设，组份燃烧面积由各自质量分数和密度决定，根据平面几何学推导得：
下标Mg、AP和HTPB分别代指燃料体系中的Mg、AP和HTPB；ρx和Sx分别代表下标为x的组份的密度和燃烧面积，α、、βγ分别为燃料体系中AP、HTPB和Mg的质量分数，St为燃料总燃面的平面面积；
燃料燃速模型：
大部分镁颗粒在燃料燃烧过程只发生相变，不能阻止燃面退移；考虑由AP和HTPB组成的单元，燃料燃速r由AP分解控制，并遵循零级阿累尼乌斯公式；AP和HTPB质量消耗率与其质量分数成正比，即：
下标AH为由AP和HTPB组成的单元；为AH单元的平均密度，由AP和HTPB的密度和质量分数计算得到；R为通用气体常数；TS为燃面温度；AAP和EAP分别为AP分解的指前因子和活化能；
燃气组份质量流量模型：由S100步骤简化得到的主要气相反应和燃料燃速模型推导确定；
燃气速度模型：由动量守恒关系确定；
燃料放热模型：
当燃面温度Ts低于燃料的着火温度TC时，单位时间燃料向环境的放热量Q包括：AP的分解放热、HTPB的分解放热和镁的焓变吸热：
和分别为AP和HTPB的单位时间质量消耗量，为燃面退移过程中暴露出燃面的镁的全部质量；为化学名称为i的组份在Tj温度下的标准生成焓；qAP和qHTPB分别为AP和HTPB的单位质量分解热；
当燃面温度Ts达到燃料的着火温度TC后，将过程分为燃料热分解和燃气升温两个步骤：固体AP、HTPB和镁颗粒一次燃烧并升温至TC，此后一次燃烧产物继续升温至燃面温度Ts，单位时间燃料向环境的放热量Q为：
i取值为0、1、2…n时分别对应燃料燃烧的n种热力计算产物；为单位时间第i种组份的质量生成率；当i对应组份为主要燃烧反应的生成物时，qi为生成单位质量该组份的燃烧放热量，若不是，qi取零。
还进一步的，上述步骤S200中的水反应金属燃料点火药燃烧模型包括点火药质量消耗速率模型及点火药能量释放速率模型，
其中，点火药质量消耗速率模型建立方法为：
将点火药的燃气生成率按式的二次多项式曲线进行模拟；给定点火药量Mig和点火器工作时间Tig，即可确定在时刻t的点火药质量消耗速率
求解a、b、c，使结果满足：
其中，为点火药质量消耗速率，Tig为点火器工作时间，Mig为点火药量；
点火药能量释放速率模型的建立方法为：将点火药向燃料表面和流场进行热量交换的传热量统一为点火燃气的热值Qig，点火药能量释放速率qig为：
还进一步的，上述步骤S300包括以下步骤：
步骤S310：将计算对象发动机的流场区域划分为若干四边形或六面体的结构化网格，并在燃面附近、进水孔附近、发动机壁面处加密所述结构化网格；设置各个所述结构化网格的初始参数和计算域边界条件，以所述结构化网格为基于FLUENT软件的最小计算单元；
步骤S320：基于商业软件FLUENT二次开发，实现燃料燃烧源项、点火药燃烧源项和水反应金属燃料液滴质量流量在相关网格单元的计算及添加；
步骤S330：通过FLUENT平台对发动机内流场整体计算域进行多相湍流流动与燃烧计算，直至结果收敛；依次提取第一列网格中各所述结构化网格的温度参数，作为燃面在各所述结构化网格中心的径坐标处的温度，通过将所得各网格的温度结合各网格位置从而得到点火不同时刻燃面温度的径向分布。
还进一步的，上述步骤S320中的燃料燃烧源项包括通过步骤S120计算得到的燃面质量流量源项、燃气速度源项、燃料放热源项和燃气组份质量流量源项；所述步骤S320中的点火药燃烧源项包括通过步骤S200计算得到的点火药质量流量源项和点火药释放能量源项。
还进一步的，上述步骤S320包括以下步骤：
步骤S321：燃料燃烧源项通过软件的网格源项用户定义接口，添加至计算域平行于燃面的第一列网格，具体方法为：(1)聚类靠近燃面第一列网格，该类网格单元特征为网格任一面的编号与燃面编号相同；(2)遍历计算域所有网格，依次提取各结构化网格的坐标参数和温度参数，根据位置坐标判断当前遍历到的网格是否与(1)中聚类的某一网格坐标相同，若是，则当前遍历到的网格属于靠近燃面第一列网格，以该网格的温度作为输入条件，通过软件的用户自定义源项接口，由步骤S100建立的燃料燃烧模型计算并添加各结构化网格单元的质量流量源项、燃气速度源项、燃料放热源项和燃气组份质量流量源项；否则，各燃料源项取为零；
步骤S322：点火药燃烧源项添加至从平行于燃面的第二列网格开始的点火药包覆盖区域，具体方法为：遍历网格，依次提取各网格的位置参数和流动时间参数，并根据位置信息判断该网格是否为点火药覆盖区域，根据流动时间判断点火器是否在工作期内，若两者均为是，则通过软件的用户自定义源项接口，通过所述点火药燃烧模型计算并添加各网格的点火药质量释放源项和点火药能量释放源项；否则，各点火药燃烧源项取为零。
步骤S323：所述水反应金属燃料液滴质量流量由步骤S120组份质量流量模型计算得到，通过计算平台的离散项初始化设置界面定义。
更进一步的，上述步骤S110中的燃烧产物为质量分数占燃烧体系中物质总质量大于1％的产物。
本发明提供的数值计算方法，根据质量作用定律、动量和能量平衡定律建立高金属含量水冲压发动机点火过程燃料的分段燃烧模型；基于计算流体力学FLUENT软件平台编写用户自定义函数进行二次开发，实现考虑气/固/液多相耦合作用的数值计算；确定点火过程燃料燃面温度的实时分布规律，判别发动机工作状态。
本发明的数值计算方法中所构建的模型可以适用于各种工况：当燃料组份确定时，所建立的模型及计算方法可适用于任何工况的燃烧室及喷管的燃烧流动模拟，包括真实流动中可能出现的熄火及爆炸等非正常工作状况；当燃料组份质量分数改变时，仅需调整模型中的活化能及指前因子参数即可。
相比于现有技术，本发明的先进点在于：
1、本发明的数值计算方法对具体的试验数据依赖度较低，适用于试验前的方案设计及分析阶段；
2、本发明的数值计算方法可计算得到点火过程的燃面温度及退移速率瞬变规律，弥补试验测量方法的不足。
3、本发明的数值计算方法适用于稳态工况，可推广至其他采用固体燃料或固体推进剂的发动机燃烧流动数值计算。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1为是本发明实施例中水冲压发动机点火过程瞬时燃面温度分布的数值计算方法流程框图；
图2是本发明实施例中燃料单元在燃面附近的火焰结构示意图；
图3是本发明实施例中燃速—燃面温度曲线示意图；
图4是本发明实施例中热力学平衡燃面温度确定示意图；
图5是本发明实施例中单时间步内流场耦合计算流程框图；
图6是本发明实施例中网格单元源项添加示意图；
图7是本发明实施例中所得点火过程中的燃面温度-时间曲线；
图8为本发明实施例中所得点火过程中的压强-时间曲线。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。这里，需要注意的是，在附图中，将相同的附图标记赋予基本上具有相同或类似结构和功能的组成部分，并且将省略关于它们的重复描述。
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
实施例1
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，如图1所示，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S110：通过热力计算确定水反应金属燃料在燃烧平衡时的燃烧产物，所述燃烧产物为质量分数占燃烧体系中物质总质量大于1％的产物，根据所述燃烧产物确定所述燃烧体系中气相反应区的主反应；
步骤S120：根据所述主反应建立响应燃面温度的燃料燃烧模型，所述响应燃面温度的燃料燃烧模型包括：燃料组份燃烧面积模型、燃料燃速模型、燃气速度模型、燃料放热模型和燃气组份质量流量模型。
步骤S130：由上述燃料燃烧模型计算燃料向流场放热量随燃面温度变化曲线，曲线与横轴(代表零放热)的负斜率交点，即燃料燃烧的热力学平衡燃面温度。
步骤S140：假定进水量，在上述步骤S120的燃料燃烧模型计算得到的燃料向流场放热量的基础上，附加进水吸热量、金属/水反应放热量，计算流场总放热量随燃面温度变化曲线，由曲线与横轴的负斜率交点评判设计进水量的可行性。
步骤S200：建立水反应金属燃料的点火药燃烧模型，所述水反应金属燃料点火药燃烧模型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。
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。
步骤S310：将计算对象发动机的流场区域划分为若干四边形(二维计算)或六面体(三维计算)的结构化网格，并在燃面附近、进水孔附近、发动机壁面处加密所述网格，设置各所述网格的初始参数和计算域边界条件。以所述网格为基于FLUENT软件的最小计算单元。
步骤S320：基于商业软件FLUENT二次开发，实现燃料燃烧源项、点火药燃烧源项和水反应金属燃料液滴质量流量在相关网格单元的计算及添加；
步骤S330：通过FLUENT平台对发动机内流场整体计算域进行多相湍流流动与燃烧计算。判断计算结果是否收敛，即网格所有的流场特征参数(包括质量流量、温度、速度分量、能量等)计算值与上一计算步结果的绝对差值是否全都小于一个无穷小量，若否，则以该计算步的结果更新计算域流场参数，返回步骤S320；若是，依次提取第一列网格中各所述结构化网格的温度参数，作为燃面在各所述结构化网格中心的径坐标处的温度，即可获得该时刻燃面温度的径向分布，并油燃料燃烧模型计算燃速。判断计算时刻是否大于计算终止时刻，若否，则步进流动时间，进入下一流动时刻的流场参数计算，更新流动时刻，以该计算步的结果更新计算域流场参数，返回步骤S320；若是，则计算结束。
实施例2
以73％镁基水反应金属燃料(Mg73％wt/AP19％wt/HTPB8％wt)体系为水金属燃料的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，包括以下步骤：
步骤S100：建立水反应金属燃料点火过程燃烧模型。
步骤S110通过热力计算确定燃料平衡时的燃烧产物，为简化计算，仅考虑其中质量百分数大于1％的部分，组份类别及其各自质量百分数列于表1中。
表1 73％镁基水冲压发动机燃料燃烧平衡产物成分表
根据AP(NH4ClO4)、HTPB(C4H6.052O0.052)和Mg的热分解特性及燃烧产物，假定气相反应区的主要反应：
C4H6.052O0.052(s)→4C(s)+3H2(g) (2)
Mg(s)+Cl2(g)→MgCl2(g) (3)
步骤S120：建立响应燃面温度的燃料燃烧模型，包括：燃料组份燃烧面积模型、燃料燃速模型、燃气组份质量流量模型、燃气速度模型和燃料放热模型。如图2所示，镁含量较高时，燃料一次燃烧与气相Mg/H2O反应相比程度较弱，一次燃烧的AP火焰及扩散火焰投射距离较短。根据这些特点对燃烧体系进行简化，将一次燃烧反应区与凝相反应区视为整体，并认为燃料的热传导和化学反应只发生在燃料表面及其附近薄层内，忽略能量向惰性加热区的传递，基于以上假设建立模型。
步骤S121：燃料组份燃烧面积模型的建立，包括以下步骤：
水反应金属燃料是一种典型的非均质固体燃料，燃料组份间具有明显的相界面，且燃烧面积各不相等。首先考虑Mg和HTPB组成的单元体(尺寸为1m×1m×1m)混合物，并将其在厚度方向按照镁颗粒粒径dMg等分为1/dMg份，则薄层尺寸为1m×1m×dMg，薄层内Mg颗粒的个数nMg为：
其中，下标Mg、AP和HTPB分别代指燃料体系中的Mg、AP和HTPB。ξx指下标为x的组份在燃料体系中的体积分数，根据以下(6)-(7)式，由组份各自质量分数及密度计算得到。
其中，α、、βγ分别为燃料体系中AP、HTPB和Mg的质量分数，ρx指下标为x的组份密度。
根据几何学平均计算，随燃面退移，单个镁颗粒从完全包覆于1m×1m×dMg薄层到完全暴露于薄层外的整个过程中，镁的真实燃烧面积SMg和燃面平面面积SMg P分别为：
单元薄层中粘合剂HTPB的燃烧面积SHTPB为：
SHTPB＝1-nMgSMg p (10)
联立(5)-(10)得：
同理，考虑AP和HTPB组成的单元体，可得
其中，SAP和SAP P分别为燃面退移过程AP的平均真实燃烧面积和燃面平面面积。
以上，当燃料体系的总燃面平面面积St确定时，可确定各组份的真实燃烧面积，式(13)即为燃料组份燃烧面积模型。
步骤S122：建立燃料燃速模型，包括以下步骤：
燃面退移速率由AP的分解控制，且遵循零级阿累尼乌斯定律，AP的分解速度rAP为：
rAP＝AAPexp(-EAP/RTS)/ρAP (14)
其中，AAP是AP热分解的指前因子，EAP是AP热分解的活化能，R是通用气体常数，TS是燃面温度。
燃料中的大部分镁颗粒虽然没有参与燃料燃烧，但不能阻止燃面的退移，考虑AP和HTPB组成的单元，燃料燃速r为：
其中，下标AH为由AP和HTPB组成的单元，为AH单元的平均密度，由AP和HTPB的密度和质量分数计算得到。张炜等学者通过各类配方镁基水反应金属燃料燃烧试验，将燃料燃烧速度试验测量值rexp与燃面温度Ts线性拟合为式(16)
rexp＝-19.5682+0.04204Ts (16)
拟合式(15)和式(16)，得AAP和EAP分别为1.56×107J/kmol和1950m/s。图3为基于上述AAP和EAP值采用式(15)得到的燃速计算值-燃面温度曲线和式(16)得到的燃速试验值-燃面温度曲线。
以上，可确定不同燃面温度Ts下的燃料燃速r，燃料燃速模型建立完成。
步骤S123：构建燃气组份质量流量模型，包括以下步骤：
由S100步骤简化得到的主要气相反应和S122步骤得到的燃料组份质量消耗率，视燃气流动为平衡流，得燃气各组份的质量流量为：
式中，Mi为化学名称为i的组份的摩尔质量；当i代表H2、、O2、C MgCl2和MgO时，代表一次燃烧过程组份i的质量生成率；当i代表AP和HTPB时，代表一次燃烧过程组份i的质量消耗率，其中：
随燃面退移，单位时间暴露出燃面的镁的全部质量为：
由于Mg沸点温度较高，其随燃面退移暴露出来的部分除少量参与一次燃烧气相反应外，未全部蒸发为气态，镁蒸气和镁液滴的质量生成率和分别为：
其中，ρfuel为水反应金属燃料体系密度；frac_MgVap为蒸发镁占暴露燃面镁的质量分数，当燃面温度Ts低于镁的熔点Tm时，frac_MgVap取0；当Ts高于镁的沸点Tb时取1；当Ts介于镁的熔、沸点之间时，蒸发受燃烧室镁蒸气的分压与Ts下镁饱和蒸气压的差值决定。
以上，可确定不同燃面温度Ts下，燃料向流场输运的气相产物质量生成率和及凝聚相镁液滴的质量生成率至此，燃气组份质量流量模型建立完成。
步骤S124：构建燃气速度模型，包括以下步骤：
假定一次燃烧产物以相同的速度脱离燃面，根据燃面处动量守恒关系得燃气速度Vg为：
Vg＝rρfuel/ρg (21)
其中，ρg为一次燃气的平均密度。
步骤S125：构建燃料放热模型，包括以下步骤：
当燃面温度Ts低于燃料的着火温度TC时，即Ts<TC，单位时间燃料向环境的放热量Q包括：AP的分解放热、HTPB的分解放热和镁的焓变吸热。
其中，代表化学名称为i的组份在Tj温度下的标准生成焓，由NIST数据库多项式函数确定；qAP和qHTPB分别为AP和HTPB的单位质量分解热，查阅化学手册确定。
当燃面温度Ts达到燃料的着火温度TC后，即Ts≥TC时，镁颗粒在氧化气氛中迅速氧化并放热，激励燃烧持续进行。考虑模型的连续性，将过程分为燃料热分解和燃气升温两个步骤：固体AP、HTPB和镁颗粒一次燃烧并升温至TC，此后一次燃烧产物继续升温至燃面温度Ts，凝聚相一侧提供的能量Q为：
式中，i取值为0、1、2…5时分别对应燃料燃烧的六种热力计算产物MgO、C、Mg(g)、MgCl2、N2和H2，q0和q3分别为方程(4)和(3)所示化学反应中生成单位质量MgO和MgCl2的燃烧放热，q1、、q2、q4q5取0。本实施例计算中相关参数取值列于表2。
表2燃料燃烧计算中相关参数的取值表
| 符号 | 含义 | 取值 |
| TC | 着火温度 | 885K |
| α | AP质量分数 | 18％ |
| β | HTPB质量分数 | 9％ |
| γ | Mg质量分数 | 73％ |
| ρAP | AP密度 | 1950kg/m3 |
| ρHTPB | HTPB密度 | 920kg/m3 |
| ρMg | Mg颗粒密度 | 1740kg/m3 |
| dMg | Mg颗粒粒径 | 150μm |
| AAP | AP指前因子 | 1950m/s |
| EAP | AP反应活化能 | 1.56×107J/kmol |
步骤S130：估计燃料燃烧的热力学平衡温度，包括以下步骤：
燃料燃烧达到平衡时，单位时间内一次燃烧放热量全部用于将这段时间内消耗的燃料从初始冷态加热至使其燃烧产物和燃面等温，此时系统向环境的静放热量为零，系统放热量曲线与X轴相交。而只有当交点处放热量曲线斜率为负时，才能保证交点附近无论温度向高温或低温方向偏移都会由于燃料系统向环境的放热将温度重新拉回交点处的温度，即放热量曲线与横轴的负斜率相交点对应温度为燃料系统的热力学平衡燃面温度。
图4为本实施例中热力学平衡燃面温度确定示意图，参见图4可知，放热量在A点和C点与横轴相交，但只有C点处曲线斜率为负，C点对应的温度Ts＝1050K即为系统的热力学平衡燃面温度。
在表3中本发明提供方法得到的模型的计算值与韩超.《高金属含量镁基燃料水冲压发动机稳态燃烧机理研究》[D]:国防科学技术大学,2011中公开的试验结果对比，由于实施例中的燃烧室压强和燃料初温不同于该文献中的取值，因而所得燃面温度和燃速结果略有不同，但二者量级一致且数值接近，说明本发明所构建的水反应金属燃料点火过程的燃料燃烧模型合理可靠，符合可行性预估的要求。
表3本发明所得模型计算值与文献公开试验结果对比表
步骤S140：估计进水量取值范围：假定进水量，在上述步骤S120的燃料燃烧模型计算得到的燃料向流场放热量的基础上，附加进水吸热量、金属/水反应放热量，计算流场总放热量随燃面温度变化曲线，由曲线与横轴的负斜率交点评判设计进水量的可行性。
步骤S200：建立水反应金属燃料的点火药燃烧模型，所述水反应金属燃料点火药燃烧模型包括点火药质量消耗速率模型及点火药能量释放速率模型。
实际工作过程中，点火药质量消耗速率—时间曲线规律类似于开口向下的抛物线。因此，本发明中将点火药的燃气生成率按式(24)的二次多项式曲线进行模拟，给定点火药量Mig和点火器工作时间Tig，可确定在时刻t的点火药质量消耗速率即：
求解a、b、c，使结果满足：
其中，为点火药质量消耗速率，Tig为点火器工作时间，Mig为点火药量。
点火药向燃料表面和流场进行热量交换，热量交换的方式包括生成热燃气和热粒子的热传导、对流和热辐射，将三种方式的传热量统一为点火燃气的热值Qig，构建点火药能量释放速率qig为：
参见图5，步骤S300包括以下步骤：基于商业计算流体力学软件进行二次开发，实现耦合燃料燃烧模型、点火药燃烧模型和基于N-S方程的多相湍流流动燃烧模型的流场计算。
步骤S310：将计算对象的流场区域划分为若干四边形(二维计算)或六面体(三维计算)网格以作为基于FLUENT软件计算的最小单元，并在燃面附近、进水孔附近、发动机壁面位置局部加密网格。设置各网格单元参数的初值和计算边界条件。设置流场初值和边值条件；
其中，初值条件设为大气压常温工况下参数：压强为0.1Mpa，温度为300K，速度为零；边值条件：取发动机中心线为对称轴边界条件，燃面和发动机壁面为无滑移壁面，发动机出口为压力出口；
步骤S320：基于商业软件FLUENT二次开发，实现燃料燃烧源项、点火药燃烧源项和镁液滴质量流量在相关网格单元的计算及添加。
步骤S321：燃料燃烧源项通过软件的网格源项用户定义接口，添加至计算域平行于燃面的第一列网格，具体方法为：(1)聚类靠近燃面第一列网格，该类网格单元特征为网格任一面的编号与燃面编号相同；(2)遍历计算域所有网格，依次提取各结构化网格的坐标参数和温度参数，根据位置坐标判断当前遍历到的网格是否与(1)中聚类的某一网格坐标相同，若是，则当前遍历到的网格属于靠近燃面第一列网格，以该网格的温度作为输入条件，通过软件的用户自定义源项接口，由步骤S100建立的燃料燃烧模型计算并添加各结构化网格单元的质量流量源项、燃气速度源项、燃料放热源项和燃气组份质量流量源项；否则，各燃料源项取为零；
步骤S322：步骤S320所述点火药燃烧源项包括通过步骤S200计算得到的点火药质量流量源项和点火药释放能量源项，并添加至从平行于燃面的第二列网格开始的点火药包覆盖区域。由于点火药包为部分覆盖在燃料表面的流场初始高能量来源，为避免点火药燃气高温对燃面温度的阶跃影响，将近燃料表面的第二层网格单元作为添加点火药源项的起点，覆盖区域由点火药体积确定。具体方法如下：遍历网格，依次提取各网格的位置参数和流动时间参数，并根据位置信息判断该网格是否为点火药覆盖区域，根据流动时间判断点火器是否在工作期内，若两者均为是，则通过软件的用户自定义源项接口，通过所述点火药燃烧模型计算并添加各网格的点火药质量释放源项和点火药能量释放源项；否则，各点火药燃烧源项取为零。
步骤S323：步骤S320所述镁液滴质量流量由步骤S120组份质量流量模型计算得到，通过计算平台的离散项初始化设置界面定义。
步骤S330：通过FLUENT平台对发动机内流场整体计算域进行多相湍流流动与燃烧计算。判断计算结果是否收敛，即网格所有的流场特征参数(包括质量流量、温度、速度分量、能量等)计算值与上一计算步结果的绝对差值是否全都小于一个无穷小量，若否，则以该计算步的结果更新计算域流场参数，返回步骤S320；若是，依次提取第一列网格中各所述结构化网格的温度参数，作为燃面在各所述结构化网格中心的径坐标处的温度，即可获得该时刻燃面温度的径向分布。判断计算时刻是否大于计算终止时刻，若否，则步进流动时间，进入下一流动时刻的流场参数计算，更新流动时刻，以该计算步的结果更新计算域流场参数，返回步骤S320；若是，则计算结束。
实施例中发动机燃烧室内径为120mm，收敛段内径为60mm，喷管喉径为16mm，出口内径为26mm，进水位置在距离燃面30mm位置处。点火药选为40g药包半径和厚度相等的黑火药。网格单元源项添加如图6所示。为减少计算量和计算时间成本，本实施例采用二维轴对称模型计算，计算域外轮廓由燃料燃面(即入口)、发动机壁面、出口和发动机轴线限定，并将计算域划分为四边形网格，其中靠近燃面的第一列网格即为上述燃料燃烧源项添加区，从第二列网格开始靠近发动机轴线区域的部分阴影区即为上述点火药源项添加区，该区域长度和宽度分别等于点火药包的高度和半径。通过上述模型计算至收敛并提取第一层网格的温度和压强参数，即可得到如图7所示点火过程的燃面温度—时间曲线，如图8所示点火过程燃烧室压强—时间曲线。从图7中可以得到点火过程各个时刻燃面温度规律，进而判定燃料燃烧状态。本实施例中发动机点火结束后发动机稳态燃面平均温度高于燃料着火温度(虚线)，发动机点火成功。根据图8则可得到点火过程各个时刻燃烧室中的压强分布，进而由发动机壳体承载能力判定是否可能出现爆炸等现象。本实施例中发动机点火过程燃烧室最大压强小于2MPa，在发动机壳体承载范围内，不会出现爆炸现象。
本发明提供的方法根据燃料着火特性和发动机壳体承载能力，分析给定燃料配方、点火药类型和点火药量等参数时，点火试验方案的预期效果，进水的影响只需在计算软件进行相关模块的添加及参数修改即可，方法并无二异。
本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。
通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。
Claims (10)
1.一种高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法，其特征在于：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。
2.如权利要求1所述的高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法，其特征在于：所述水反应金属燃料包括含金属质量分数高于50％的镁)或铝和高氯酸铵和端羟基聚丁二烯燃料。
3.如权利要求2所述的高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法，其特征在于：所述步骤S100包括以下步骤：
步骤S110：通过热力计算确定水反应金属燃料在燃烧平衡时的燃烧产物，根据所述燃烧产物确定所述燃烧体系中气相反应区的主反应；
步骤S120：根据所述主反应建立响应燃面温度的燃料燃烧模型；
步骤S130：估计燃料燃烧的热力学平衡燃面温度：以燃面温度为横轴、燃料向流场放热量为纵轴建立坐标，由上述步骤S120的燃料燃烧模型计算燃料向流场放热量随燃面温度变化曲线，曲线与横轴的负斜率交点即为燃料燃烧的热力学平衡燃面温度；
步骤S140：估计进水量取值范围：假定进水量，在上述步骤S130的燃料燃烧模型计算得到的燃料向流场放热量的基础上，附加进水吸热量、金属/水反应放热量，以燃面温度为横轴、流场总放热量为纵轴建立坐标，计算流场总放热量随燃面温度变化曲线，由曲线与横轴的负斜率交点评判设计进水量的合理性。
4.如权利要求3所述的高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法，其特征在于：步骤S120中的响应燃面温度的燃料燃烧模型包括：燃料组份燃烧面积模型、燃料燃速料模型、燃气组份质量流量模型、燃气速度模型和燃料放热模型；
其中，燃料组份燃烧面积模型建立过程为：球形AP颗粒、Mg颗粒与连续相HTPB遵循平行层退移假设，组份燃烧面积由各自质量分数和密度决定，根据平面几何学推导得：
下标Mg、AP和HTPB分别代指燃料体系中的Mg、AP和HTPB；ρx和Sx分别代表下标为x的组份的密度和燃烧面积，α、β、γ分别为燃料体系中AP、HTPB和Mg的质量分数，St为燃料总燃面的平面面积；
燃料燃速模型建立方法为：大部分镁颗粒在燃料燃烧过程只发生相变，不能阻止燃面退移；考虑由AP和HTPB组成的单元，燃料燃速r由AP分解控制，并遵循零级阿累尼乌斯公式；AP和HTPB质量消耗率与其质量分数成正比，即：
下标AH为由AP和HTPB组成的单元；为AH单元的平均密度，由AP和HTPB的密度和质量分数计算得到；R为通用气体常数；TS为燃面温度；AAP和EAP分别为AP分解的指前因子和活化能；
燃气组份质量流量模型由S100步骤简化得到的主要气相反应和燃料燃速模型推导确定；
燃气速度模型由动量守恒关系确定；
燃料放热模型建立方法为：
当燃面温度Ts低于燃料的着火温度TC时，单位时间燃料向环境的放热量Q包括：AP的分解放热、HTPB的分解放热和镁的焓变吸热：
为化学名称为i的组份在Tj温度下的标准生成焓；qAP和qHTPB分别为AP和HTPB的单位质量分解热；和分别为AP和HTPB的单位时间质量消耗量，为燃面退移过程中暴露出燃面的镁的全部质量；
当燃面温度Ts达到燃料的着火温度TC后，将过程分为燃料热分解和燃气升温两个步骤：固体AP、HTPB和镁颗粒一次燃烧并升温至TC，此后一次燃烧产物继续升温至燃面温度Ts，单位时间燃料向环境的放热量Q为：
i取值为0、1、2…n时分别对应燃料燃烧的n种热力计算产物，为单位时间第i种组份的质量生成率；当i对应组份为主要燃烧反应的生成物时，qi为生成单位质量该组份的燃烧放热量，若不是，qi取零。
5.如权利要求4所述的高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法，其特征在于：所述步骤S200中的水反应金属燃料点火药燃烧模型包括点火药质量消耗速率模型及点火药能量释放速率模型；
其中，点火药质量消耗速率模型建立方法为：
将点火药的燃气生成率按式的二次多项式曲线进行模拟；给定点火药量Mig和点火器工作时间Tig，即可确定在时刻t的点火药质量消耗速率
求解a、b、c，使结果满足：
其中，为点火药质量消耗速率，Tig为点火器工作时间，Mig为点火药量；
点火药能量释放速率模型的建立方法为：将点火药向燃料表面和流场进行热量交换的传热量统一为点火燃气的热值Qig，点火药能量释放速率qig为：
6.如权利要求5所述的高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法，其特征在于：所述步骤S300包括以下步骤：
步骤S310：将计算对象发动机的流场区域划分为若干四边形或六面体的结构化网格，并在燃面附近、进水孔附近、发动机壁面处加密所述结构化网格；设置各个所述结构化网格的初始参数和计算域边界条件，以所述结构化网格为基于FLUENT软件的最小计算单元；
步骤S320：基于商业软件FLUENT二次开发，实现燃料燃烧源项、点火药燃烧源项和水反应金属燃料液滴质量流量在相关网格单元的计算及添加；
步骤S330：通过FLUENT平台对发动机内流场整体计算域进行多相湍流流动与燃烧计算，判断计算结果是否收敛，即网格所有的流场特征参数计算值与上一计算步结果的绝对差值是否全都小于一个无穷小量，若否，则以该计算步的结果更新计算域流场参数，返回步骤S320；若是，依次提取第一列网格中各所述结构化网格的温度参数，作为燃面在各所述结构化网格中心的径坐标处的温度，即可获得该时刻燃面温度的径向分布。判断计算时刻是否大于计算终止时刻，若否，则步进流动时间，进入下一流动时刻的流场参数计算，更新流动时刻，以该计算步的结果更新计算域流场参数，返回步骤S320；若是，则计算结束。
7.如权利要求6所述的高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法，其特征在于：
所述步骤S320中的燃料燃烧源项包括通过步骤S120计算得到的燃面质量流量源项、燃气速度源项、燃料放热源项和燃气组份质量流量源项；
所述步骤S320中的点火药燃烧源项包括通过步骤S200计算得到的点火药质量流量源项和点火药释放能量源项。
8.如权利要求7所述的高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法，其特征在于：所述步骤S320包括以下步骤：
步骤S321：燃料燃烧源项通过软件的网格源项用户定义接口，添加至计算域平行于燃面的第一列网格，具体步骤为：步骤(1)聚类靠近燃面第一列网格，该类网格单元特征为网格任一面的编号与燃面编号相同；步骤(2)遍历计算域所有网格，依次提取各结构化网格的坐标参数和温度参数，根据位置坐标判断当前遍历到的网格是否与步骤(1)中聚类的某一网格坐标相同，若是，则当前遍历到的网格属于靠近燃面第一列网格，以该网格的温度作为输入条件，通过软件的用户自定义源项接口，由步骤S100建立的燃料燃烧模型计算并添加各结构化网格单元的质量流量源项、燃气速度源项、燃料放热源项和燃气组份质量流量源项；否则，各燃料源项取为零；
步骤S322：点火药燃烧源项添加至从平行于燃面的第二列网格开始的点火药包覆盖区域，具体方法为：遍历网格，依次提取各网格的位置参数和流动时间参数，并根据位置信息判断该网格是否为点火药覆盖区域，根据流动时间判断点火器是否在工作期内，若两者均为是，则通过软件的用户自定义源项接口，通过所述点火药燃烧模型计算并添加各网格的点火药质量释放源项和点火药能量释放源项；否则，各点火药燃烧源项取为零；
步骤S323：所述水反应金属燃料液滴质量流量由步骤S120组份质量流量模型计算得到，通过计算平台的离散项初始化设置界面定义。
9.如权利要求3所述的高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法，其特征在于：所述步骤S110中的燃烧产物为质量分数占燃烧体系中物质总质量大于1％的产物。
10.如权利要求6所述的高金属含量水冲压发动机燃速理论预示方法，其特征在于：所述步骤S330中的流场特征参数包括质量流量、温度、速度分量、能量中的一种或多种。
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