水下航行器闭式循环动力系统动态仿真

为研制高能量密度无人水下航行器(UUV)动力系统,对以Li/SF6为热源的闭式循环动力系统开展研究。基于质量守恒和能量守恒方程,将蒸发器及冷凝器进行分区,建立了移动边界数学模型,建立了涡轮机的稳态模型以及集液器的动态模型,形成了系统的动态模型。通过仿真计算,获得了系统工质流量阶跃变化条件下的动态响应。仿真结果表明,蒸发器进口水流量增加时,管内压力升高,出口温度降低,涡轮机输出功率增大,蒸发器及冷凝器各相区长度改变;当其流量减小时,变化规律相反。所建模型可为UUV动力系统设计及控制方案选择提供参考。

基于闭式循环动力系统的鱼雷壳体冷凝器一维建模与仿真

为深入研究鱼雷闭式循环热动力系统壳体冷凝器的传热特性,建立了壳体冷凝器一维传热数学模型。通过仿真计算,获得了壳体冷凝器沿轴向温度、压力以及干度分布特性,讨论了不同冷却通道截面尺寸、入口乏汽质量流量及入口乏汽温度条件对壳体冷凝器工作特性的影响。计算分析结果表明,在壳体冷凝器相同入口乏汽参数条件下,对于不同截面尺寸的冷却通道,其换热特性也不同。壳体冷凝器出口温度受入口乏汽温度影响较大,出口压力受入口乏汽质量流量影响较大。可为鱼雷壳体冷凝器的性能预示和结构设计提供参考。

基于金属燃料的SOFC/氦氙布雷顿双闭式循环联合动力系统优化设计

为提高无空气推进闭式动力装置的热效率和续航能力,建立了一种基于金属铝水反应的固体氧化物燃料电池(SOFC)/氦氙布雷顿双闭式循环联合动力系统。首先建立了该系统的数学模型,将系统输出功率设计为100kW,对系统主要参数进行了敏感性分析,分析结果表明:影响系统工况性能的主要参数包括SOFC的工作温度、工作压力和布雷顿循环压气机压比;在固定系统输出量级的情况下,提高SOFC的工作温度与压力增加了其工作效率和功率分担比,对SOFC的增益影响大于对布雷顿循环的增益;压气机压比的变化影响了布雷顿循环的功率分担比,对SOFC效率也呈现先升高后下降的影响趋势,总体看来,压气机压比对布雷顿循环功率分担比的提高存在一个峰值。采用遗传算法对该系统的工作参数进行优化设计,优化设计后,系统总效率较原型设计提高了2.53%,(火用)效率较原型设计提高了2.55%,有效提升了系统的热效率。

熔融铝水蒸气浸没射流反应数值仿真

熔融铝水蒸气浸没射流反应可作为氢氧闭式循环动力系统的新型制氢方法,能够提高制氢速率和氢气发生器的稳定可控性,但反应具有高温、不透明和局部流动状态复杂等特点,难以通过常规方法对其流场进行观测。为探究其流场特性,文中使用Fluent非预混燃烧模型对该反应进行了数值仿真。通过理想混合物密度计算方法对概率密度函数查询表的精度进行了提升,使数值模型能更准确地模拟气液反应,得到了熔融铝水蒸气浸没射流反应流场的参数分布以及不同水蒸气入口速度条件下流场温度分布和水蒸气核心区的变化规律。研究结果表明,文中数值模型能够较合理地模拟射流燃烧反应;熔融铝水蒸气反应射流流场由水蒸气核心区和混合产物区组成,其中水蒸气核心区在射流区域中占据的空间远小于混合产物区;当水蒸气入口速度增加时,高温区最高温度增高且体积增大、水蒸气核心区长度增长。研究结果将为进一步研究熔融铝水蒸气浸没射流反应和设计氢气发生器提供参考。

壳体冷凝器换热特性试验研究

为深入研究闭式循环热动力系统壳体冷凝器的换热特性,对采用多组螺旋矩形通道的壳体冷凝器进行了试验研究,分析了蒸汽入口流量和温度对冷凝器换热特性的影响。试验结果表明:多组螺旋矩形通道具有较好的强化换热效果,换热效果随着雷诺数的增加而逐步增强,冷凝器总平均换热量、热流密度及凝结水出口温度均随冷凝器入口蒸汽温度和蒸汽流量的升高而升高;但总传热系数和蒸汽侧换热系数则随冷凝器入口蒸汽温度的升高而降低,随冷凝器入口蒸汽流量的升高而升高;并且随着入口蒸汽流量的增加,凝结水出口温度变化并不是很大。最后在试验数据基础上,关联得出了换热准则关联式,可以作为壳体冷凝器的设计计算依据。

锂/六氟化硫热源启动技术研究

锂/六氟化硫热源的启动技术是制约闭式循环动力系统在无人水下航行器应用的关键技术之一。文中根据锂/六氟化硫启动过程的特点,确定了启动剂的基础配方,制备了小尺寸启动剂样品,开展了启动剂的点火性能试验和小功率锅炉反应器快速启动试验。试验结果表明,启动剂释放的热量在几秒内实现了金属锂的液化且锂液温度超过400℃,点火后合理控制氧化剂和冷却水的进入时间次序和流量匹配方式可实现锅炉反应器的持续稳定工作。

Li/SF_6气液浸没燃烧反应的相平衡计算

闭式循环鱼雷热动力系统采用Li/SF6作为其能源,Li/SF6的相平衡计算是对该系统研究的基础。本文通过编制的通用计算程序,采用最小自由能法对复杂非理想、多相流、电解液或非电解液混合物的相平衡进行了计算,通过建立Li/SF6气液浸没燃烧反应相平衡计算的非线性约束优化方程,计算了Li/SF6燃烧反应的平衡产物、温度和密度等,并且给出了Li的初始温度对结果的影响。

非对称加热条件下锅炉反应器蒸汽生成过程参数影响研究

针对鱼雷Li/SF_(6)闭式循环动力系统锅炉反应器复杂物理化学过程中参数耦合、参数时变造成的系统稳定域度小等问题,文中基于传热学理论,采用分段式处理方法,建立了锅炉反应器螺旋换热管流动换热模型,对传热过程进行了数值仿真,探讨了非对称加热条件下锅炉反应器入口工质温度、出口工质温度、出口工质压力、出口工质流量等参数的变化对蒸汽生成过程的影响规律。研究结果可为系统性能仿真和调节控制优化,提升系统稳定域度提供支撑,为锅炉反应器的工程设计、优化和试验验证提供理论参考,对同类装置的研究和设计也具有一定的参考价值。

熔池温度对浸没反应射流结构的影响

以气-液浸没反应射流为能量来源的闭式循环动力系统在水下推进以及航空航天等领域具有广阔的应用前景。文中在Lee相变模型和涡耗散反应速率模型的基础上,采用数值仿真方法研究了金属Li熔池温度对浸没反应射流结构的影响。研究结果表明,文中数值仿真计算结果与实验符合较好,所采用的数值仿真方法可以较好地预测浸没反应射流过程;气态氧化物气羽核心区基本不受熔池温度的影响,而在高熔池温度下,会有更多液态金属被蒸发,并且随着冷凝驱动势的减小,金属蒸汽的凝结速率也相应降低,因而金属的蒸发速率和凝结速率共同决定金属蒸汽气羽的宏观尺寸。研究结果可为气-液射流反应器的设计和安全运行提供理论指导。