CN116428075A - 一种基于燃烧室压强与进水流量耦合的水冲压发动机控制方法 - Google Patents

一种基于燃烧室压强与进水流量耦合的水冲压发动机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于水下航行器动力技术领域，具体涉及一种基于燃烧室压强与进水流量耦合的水冲压发动机控制方法。本发明通过对航行过程中的航行速度与主进水口处的静压进行实时监测，通过对供水系统中的冲压进水流动状态与发动机内流场以及航行体航行状态进行计算，得到航速与进水口静压的实时对应关系；当实际航速与计算航速偏差较大时，根据对应关系，调整压力调节器，改变主进水口的静压值，进而改变水冲压发动机的工作状态，得到预期的推力值，实现对航速的精细化控制。本发明能够实现以水冲压发动机作为动力的水下航行体在航行过程中航行速度的精细化控制，具有逻辑清晰，易于实现，精度高等优点，可提高对水下航行器工作过程对航速的精细化控制。

Description

一种基于燃烧室压强与进水流量耦合的水冲压发动机控制 方法
技术领域
本发明属于水下航行器动力技术领域，具体涉及一种基于燃烧室压强与进水流量耦合的水冲压发动机控制方法。
背景技术
采用高金属含量固体燃料的水冲压发动机属于喷气式推进系统，具有能量密度大、结构简单、可靠性高等优点，是超空泡航行体的理想动力。
超空泡航行体在航行过程中，需由头部空化器摄水，经管路流动后注入燃烧室。进水管路系统是以水冲压发动机为动力的超空泡航行体的重要组成部分，其作用是在水下高速运动条件下，将航行体外部的水引入到水冲压发动机燃烧室，为高金属含量固体燃料的燃烧提供氧化剂。因此在航行过程中，其进水管路的进水量与航行状态具有强耦合性与高度非线性。即航行器航速等工作状况由水冲压发动机的推力决定，而发动机推力受其氧化剂的供给量直接影响，同时发动机的进水量又与航行器的航行状态有关。供水流量、发动机工况、航行状态关系如图1所示。
现阶段对水冲压发动机供水流量的控制方法，通常是在供水系统管路结构确定的情况下，通过增设文氏管等装置，限定进水管路中的流量阈值，进而实现对喷嘴处供水流量的控制，而不考虑实际过程中供水流量与燃烧室压强的耦合作用，容易造成发动机工作性能脱离设计，影响航行体的工作性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于燃烧室压强与进水流量耦合的水冲压发动机控制方法。
一种基于燃烧室压强与进水流量耦合的水冲压发动机控制方法，包括以下步骤：
步骤1：在水下航行器的空化器头部开设进水口，在发动机的燃烧室内部上下两侧布置有喷嘴，通过主进水管路连接进水口与两分支进水管路，两分支进水管路分别从发动机壳体外部绕行并与上下两侧的喷嘴连接；所述主进水管路入口处设有压力调节器；所述压力调节器用于监测、调节主进水管入口处静压力；
步骤2：水下航行器在航行过程中，通过控制模块计算自身航速V1(t)，并与监测到的实际航速V3(t)对比，若|V1(t)-V3(t)|＞B，则通过调节压力调节器控制燃烧室的供水，实现水下航行器航速的精细化控制；其中，B为误差阈值；
步骤2.1：获取水下航行器当前时刻的实际航速V3(t)、主进水管入口处静压力P11(t)，计算主进水管入口处动压力P12(t)、主进水管入口处总压力P1(t)；
Figure SMS_1
P1(t)＝P11(t)+P12(t)
其中，ρ为流入主进水管的水密度；
步骤2.2：计算分支管路内压降ΔP1，获取喷嘴处总压力P2(t)；
Figure SMS_2
P2(t)＝P1(t)-ΔP1(t)
其中，ζ、λ为压降系数；l为分支管路的长度；d分支管路的直径；
步骤2.3：计算喷嘴处流速V2(t)、喷嘴处动压力P22(t)，获取喷嘴处静压力P21(t)；
Figure SMS_3
Figure SMS_4
P21(t)＝P2(t)-P22(t)
其中，A为喷嘴出水口面积；m1(t-Δt)为上一时刻计算得到的喷嘴处的供水流量，初始时刻喷嘴处的供水流量m(0)已知；Δt为时间步长；
步骤2.4：计算供水流量的压差ΔP2，获取当前时刻喷嘴处的供水流量m(t)；
ΔP2(t)＝P21(t)-P3(t-Δt)
Figure SMS_5
其中，Cd为流量系数；P3(t-Δt)为上一时刻计算得到的燃烧室内的压强，初始时刻燃烧室内的压强P3(0)已知；
步骤2.5：利用N-S控制方程，根据当前时刻喷嘴处的供水流量m(t)求解得到当前时刻燃烧室内的压强P3(t)；
步骤2.6：根据当前时刻燃烧室内的压强P3(t)获取发动机的推力F(t)，进而推算出当前时刻水下航行器的航速计算值V1(t)；
步骤2.7：录入当前时刻的计算数据，结合历史计算数据，得到水下航行器在航行过程中实际航速V3与工作时间t、主进水管入口处静压力P11的对应曲线V3＝g(t，P11)；
步骤2.8：若|V1(t)-V3(t)|＞B，则根据航速计算值V1(t)查询曲线V3＝g(t，P11)中对应的主进水管入口处静压力P11值，调节压力调节器控制燃烧室的供水，实现水下航行器航速的精细化控制。
本发明的有益效果在于：
本发明通过对航行过程中的航行速度与主进水口处的静压进行实时监测，通过对供水系统中的冲压进水流动状态与发动机内流场以及航行体航行状态进行计算，得到航速与进水口静压的实时对应关系；当实际航速与计算航速偏差较大时，根据对应关系，调整压力调节器，改变主进水口的静压值，进而改变水冲压发动机的工作状态，得到预期的推力值，实现对航速的精细化控制。本发明能够实现以水冲压发动机作为动力的水下航行体在航行过程中航行速度的精细化控制，具有逻辑清晰，易于实现，精度高等优点，可提高对水下航行器工作过程对航速的精细化控制。
附图说明
图1为供水流量、发动机工况与航行状态关系的示意图。
图2为水下航行体的工作示意图。
图3为本发明中发动机及进水系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
根据水下超空泡航行的流场特征可知，超空泡航行体仅有头部空化器是稳定沾湿面。因此，在空化器中央开孔进水是保证鱼雷从外界稳定摄水的理想方式；水冲压发动机的进水过程应尽可能均匀地将水从燃烧室周围的注水孔沿径向注入。因此，航行体1进水管路系统采用主分支两级管路设计，包括主进水管路2与分支进水管路3。主进水管路2是指从空化器头部进水口至管路形成分支结构之前的单路管路部分，可视为均匀直管。分支进水管路3从发动机壳体外部绕行至雾化喷嘴处，在流动方向发生变化时引入相应弯头。发动机工作过程中，通过喷嘴4进入的液态水与燃烧室5内高温燃气发生掺混，二次燃烧后，通过喷管完成膨胀，产生推力并做功。通过调整安装在主进水管路中的压力调节器6的功率，可实现对航行体进水管路中海水压力的调整，进而实现对进水流量的调整。控制模块7中可加入对压力调节器6进行控制的控制单元，以及对航行体航速，燃烧室压强等变量进行计算的计算单元。
水下航行器在航行过程中，通过控制模块计算自身航速V1(t)，并与监测到的实际航速V3(t)对比，若|V1(t)-V3(t)|＞B，则通过调节压力调节器控制燃烧室的供水，实现水下航行器航速的精细化控制；其中，B为误差阈值；
步骤1：获取水下航行器当前时刻的实际航速V3(t)、主进水管入口处静压力P11(t)，计算主进水管入口处动压力P12(t)、主进水管入口处总压力P1(t)；
Figure SMS_6
P1(t)＝P11(t)+P12(t)
其中，ρ为流入主进水管的水密度；
步骤2：计算分支管路内压降ΔP1，获取喷嘴处总压力P2(t)；
Figure SMS_7
P2(t)＝P1(t)-ΔP1(t)
其中，ζ、λ为压降系数；l为分支管路的长度；d分支管路的直径；
步骤3：计算喷嘴处流速V2(t)、喷嘴处动压力P22(t)，获取喷嘴处静压力P21(t)；
Figure SMS_8
Figure SMS_9
P21(t)＝P2(t)-P22(t)
其中，A为喷嘴出水口面积；m1(t-Δt)为上一时刻计算得到的喷嘴处的供水流量，初始时刻喷嘴处的供水流量m(0)已知；Δt为时间步长；
步骤4：计算供水流量的压差ΔP2，获取当前时刻喷嘴处的供水流量m(t)；
ΔP2(t)＝P21(t)-P3(t-Δt)
Figure SMS_10
其中，Cd为流量系数；P3(t-Δt)为上一时刻计算得到的燃烧室内的压强，初始时刻燃烧室内的压强P3(0)已知；
步骤5：利用N-S控制方程，根据当前时刻喷嘴处的供水流量m(t)求解得到当前时刻燃烧室内的压强P3(t)；
步骤6：根据当前时刻燃烧室内的压强Ps(t)获取发动机的推力F(t)，进而推算出当前时刻水下航行器的航速计算值V1(t)；
步骤7：录入当前时刻的计算数据，结合历史计算数据，得到水下航行器在航行过程中实际航速V3与工作时间t、主进水管入口处静压力P11的对应曲线V3＝g(t，P11)；
步骤8：若|V1(t)-V3(t)|＞B，则根据航速计算值V1(t)查询曲线V3＝g(t,P11)中对应的主进水管入口处静压力P11值，调节压力调节器控制燃烧室的供水，实现水下航行器航速的精细化控制。
综上所述，本发明通过调整航行体的动力系统工作状态，精确调整航速。首先对航行过程中的航行速度与主进水口处的静压进行实时监测，通过对供水系统中的冲压进水流动状态与发动机内流场以及航行体航行状态进行计算，能够得到航速与进水口静压的实时对应关系。当实际航速与计算航速偏差较大时，可以根据对应关系，调整压力调节器，改变主进水口的静压值，进而改变水冲压发动机的工作状态，得到预期的推力值，实现对航速的精细化控制。本发明能够实现以水冲压发动机作为动力的水下航行体在航行过程中航行速度的精细化控制，具有逻辑清晰，易于实现，精度高等优点，可提高对水下航行器工作过程对航速的精细化控制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于燃烧室压强与进水流量耦合的水冲压发动机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在水下航行器的空化器头部开设进水口，在发动机的燃烧室内部上下两侧布置有喷嘴，通过主进水管路连接进水口与两分支进水管路，两分支进水管路分别从发动机壳体外部绕行并与上下两侧的喷嘴连接；所述主进水管路入口处设有压力调节器；所述压力调节器用于监测、调节主进水管入口处静压力；
步骤2：水下航行器在航行过程中，通过控制模块计算自身航速V1(t)，并与监测到的实际航速V3(t)对比，若|V1(t)-V3(t)|＞B，则通过调节压力调节器控制燃烧室的供水，实现水下航行器航速的精细化控制；其中，B为误差阈值；
步骤2.1：获取水下航行器当前时刻的实际航速V3(t)、主进水管入口处静压力P11(t)，计算主进水管入口处动压力P12(t)、主进水管入口处总压力P1(t)；
Figure QLYQS_1
P1(t)＝P11(t)+P12(t)
其中，ρ为流入主进水管的水密度；
步骤2.2：计算分支管路内压降ΔP1，获取喷嘴处总压力P2(t)；
Figure QLYQS_2
P2(t)＝P1(t)-ΔP1(t)
其中，ζ、λ为压降系数；l为分支管路的长度；d分支管路的直径；
步骤2.3：计算喷嘴处流速V2(t)、喷嘴处动压力P22(t)，获取喷嘴处静压力P21(t)；
Figure QLYQS_3
Figure QLYQS_4
P21(t)＝P2(t)-P22(t)
其中，A为喷嘴出水口面积；m1(t-Δt)为上一时刻计算得到的喷嘴处的供水流量，初始时刻喷嘴处的供水流量m(0)已知；Δt为时间步长；
步骤2.4：计算供水流量的压差ΔP2，获取当前时刻喷嘴处的供水流量m(t)；
ΔP2(t)＝P21(t)-P3(t-Δt)
Figure QLYQS_5
其中，Cd为流量系数；P3(t-Δt)为上一时刻计算得到的燃烧室内的压强，初始时刻燃烧室内的压强P3(0)已知；
步骤2.5：利用N-S控制方程，根据当前时刻喷嘴处的供水流量m(t)求解得到当前时刻燃烧室内的压强P3(t)；
步骤2.6：根据当前时刻燃烧室内的压强P3(t)获取发动机的推力F(t)，进而推算出当前时刻水下航行器的航速计算值V1(t)；
步骤2.7：录入当前时刻的计算数据，结合历史计算数据，得到水下航行器在航行过程中实际航速V3与工作时间t、主进水管入口处静压力P11的对应曲线V3＝g(t,P11)；
步骤2.8：若|V1(t)-V3(t)|＞B，则根据航速计算值V1(t)查询曲线V3＝g(t,P11)中对应的主进水管入口处静压力P11值，调节压力调节器控制燃烧室的供水，实现水下航行器航速的精细化控制。
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