[发明专利]一种氢氧燃烧室动态特性快速预测方法

说明书

技术领域

本发明属工程热力学领域，具体涉及水下气氢气氧燃烧室动态特性的快速预测。

背景技术

氢氧能源具有化学反应过程简单、燃烧稳定性好、理论比冲大、无污染等特点，已广泛应用于空 间推进系统。氢氧能源用于空间推进系统的研究主要集中在催化点火、试验研究和数值模拟等方面。氢氧 催化点火主要研究了催化介质、催化剂面积体积比、催化点火结构、氢氧混合比以及供给压力对催化点火 时间及其点火可靠性的影响，并对催化组件的耐温性和防水性提出要求。氢氧燃烧试验主要研究了可替代 光学仪器的试验测试方法、燃烧效率的主要影响因素以及不同相态氧化剂在可靠点火和稳定燃烧方面的优 劣。氢氧燃烧数值模拟主要研究了各参数的空间分布情况以及不同计算模型在捕捉大流量氢氧燃烧室压力 震荡及其震荡频率方面的优劣。然而，水下气氢气氧燃烧室在结构组成、燃烧组织方式等方面具有特殊性， 对其性能的研究有别于空间推进氢氧燃烧室。

针对水下气氢气氧燃烧室动态性能的现有研究主要有二：一是建立了水下氢氧燃烧室各参数沿轴 向变化的一维数学模型，并分析了各输入参数变化对燃烧过程的影响，进而为燃烧室初步设计提供参考依 据；二是建立各参数空间分布的三维模型，并就入口氢气含湿量以及掺混冷却水喷嘴位置、安装方式对氢 氧点火可靠性、燃烧稳定性的影响开展仿真研究，进而更加有效地指导燃烧室设计。上述研究的目的在于 设计结构合理、点火可靠、掺混充分、燃烧稳定的水下氢氧燃烧室，其采用偏微分方程组描述各参量的空 间分布情况，建模过程复杂且难以编程实现，且其弱化了各参量随时间的变化规律，为此，本发明采用一 组常微分方程组描述氢氧燃烧室各参数随时间的变化规律，避免偏微分方程组建模计算复杂性的同时，便 于氢氧燃烧控制算法的实现；本发明简单可靠，便于工程实践中使用。

发明内容

发明目的

为了克服现有方法建模复杂且难以编程实现的不足，本发明提供了一种氢氧燃烧室动态特性快速 预测方法，采用一组常微分方程组描述氢氧燃烧室各参数随时间的变化规律，便于氢氧燃烧控制算法的实 现；本发明运算速度快、简单可靠，提高了氢氧燃烧室动态性能预测效率。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤一、基于喷管原理和喷嘴最大流量原理分别计算可压缩和不可压缩流体流入、流出燃烧室的 质量流量；

步骤二、利用质量守恒定律和能量守恒定律推导燃烧室内气相、液相质量、温度变化所满足的方 程式；

步骤三、利用液滴群蒸发模型考虑气液相的相间作用。

所述的步骤一包括以下步骤：

1)根据喷管是否处于临界状态计算可压缩流体氢气、氧气、过热蒸汽流入燃烧室的质量流量，并 计算燃烧室混合气体流出燃烧室的质量流量；

2)燃烧室出口各成分气体的含量直接关系整个动力系统的安全性，故需根据燃烧室内各成分气体 质量百分比计算其出流质量流量；

3)根据喷嘴最大流量原理计算不可压缩流体掺混冷却水流入燃烧室的质量流量。

所述的步骤二包括以下步骤：

1)针对该型燃烧室特有的燃烧组织方式，由氢气流入质量流量、加湿氢气的蒸汽质量流量、氧气 流入质量流量、螺旋管出口蒸汽质量流量以及燃烧室混合气体流出燃烧室的质量流量，并考虑掺混冷却水 蒸发质量流量，根据质量守恒定律得到燃烧室内气相质量随时间变化的方程；

2)由各成分气体的质量流量计算其摩尔流量，由真实气体摩尔生成焓计算方法和赫斯定律计算Δt 时间内工质热力状态转变引起的放热热流量和氢氧反应的放热热流量，并考虑气液对流换热作用下气相放 热热流量，根据能量守恒定律得到燃烧室内气相温度随时间变化的方程；

3)由燃烧室掺混冷却水质量流量及其蒸发质量流量，根据质量守恒定律得到燃烧室内液相质量随 时间变化的方程；

4)由气液对流换热热流量和液相蒸发放热热流量，根据能量守恒定律得到燃烧室内液相温度随时 间变化的方程。

为使气相各参数微分方程组封闭，需利用SHBWR状态方程建立室内压力变化函数。

所述的步骤三包括以下步骤：

1)根据不断变化的燃烧室压力适时计算其对应的水滴蒸发饱和温度，并据此判断水滴蒸发所处的 不同阶段；