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《哈尔滨工程大学》 2010年
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高能燃料燃烧流场的数值模拟与结构设计

张哲衡  
【摘要】: Li/SF6燃料系统所具有的能量密度高、安全无毒、反应过程稳定、不受外界环境影响等优点,无论是应用于水下动力系统还是太空推进动力系统或是在其它特殊环境下,该系统都具有比较明显的优势,故对这方面的研究具有重要的实际意义。 Li/SF6燃烧反应过程是一系列复杂的物理化学过程,它包括有气液化学反应、气气化学反应以及锂液和锂蒸汽的蒸发和凝结,还会有高温气体的裂解,燃烧产物中也会出现气、液、固三相物质,并伴随着相变。Li/SF6燃烧系统有表面喷射和浸没喷射两种反应形式,本文在对Li/SF6表面喷射系统进行非稳态燃烧模拟时,采用涡耗散模型(Eddy—Dissipation Modal,简称EDM模型)模拟燃烧过程、湍流模型采用标准k ?ε模型,固体产物的生成则采用欧拉颗粒模型,从而模拟出反应器内的温度分布、燃烧流场的基本情况和生成物的沉降过程。在数值模拟过程中,对计算区域的空间离散化引入贴体坐标系统,对于控制方程采用一阶迎风格式进行离散,壁面处理采用壁面函数法;采用PISO算法来计算压力速度耦合问题。 通过对简化的反应器结构内燃烧的数值模拟,得到了反应器内未反应(0.5s)、反应初期(2s)和反应10s时的温度场、压力场、化学反应速率及各组分分布情况等。通过比较不同的氧化剂入口质量流量和不同的锂液初始温度下的计算结果,得到了反应器内液面中心处最高温度和生产物质量在SF6质量流量和锂液初始温度不同的情况下随时间的变化关系,并进行了比较。得到如下结果:燃烧高温区域存在于锂液面中心处;固体燃烧产物沿中心轴下沉并沉积到容器底部;氧化剂入口流量越大,反应器内的温度及燃烧产物的量就越多;锂液初始温度越高,反应器内温度越高,而燃烧产物的量受锂液的初始温度影响很小。 在结构设计方面本文根据生成物(LiF和Li2S)、反应物(Li和SF6)的性质以及本反应器的技术性能指标,对反应器的参数以及罐体的应力进行了计算,并进行了强度校核。最后针对试验过程中出现的喷嘴堵塞问题,分析了产生喷嘴堵塞的具体原因,并提出了采用预热SF6、增大了喷嘴的孔径、改善喷嘴的导热性能、喷嘴结构采用多孔防堵塞技术等解决喷嘴堵塞的几种方法。 通过数值模拟得到的流场分布和燃烧规律,可以为结构设计优化提供一定的指导作用,降低实验成本,并为提高系统效率和回热器性能提供重要的参考价值。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TK16

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