一种氢氧燃烧室动态特性快速预测方法技术

本发明专利技术公开了一种氢氧燃烧室动态特性快速预测方法，该方法包含以下步骤：首先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；其次利用质量守恒定律和能量守恒定律得到室内气液相质量、温度变化所满足的方程式；最后利用液滴群蒸发模型考虑气液相的相间作用，实现氢氧燃烧室动态特性的快速预测。本发明专利技术采用一组常微分方程组描述氢氧燃烧动态特性随时间的变化规律，避免偏微分方程组复杂建模计算的同时，便于氢氧燃烧控制算法的实现；本发明专利技术简单可靠，便于工程实践中使用。

Fast prediction method for dynamic characteristics of hydrogen oxygen combustion chamber

The invention discloses a method for rapid prediction of dynamic characteristics of a hydrogen oxygen combustion chamber, the method comprises the following steps: firstly, mass flow nozzle and nozzle principle of maximum flow principle calculates compressible and incompressible fluid flows into and out of the combustion chamber based on gas-liquid phase; then get to meet quality, temperature change by using the mass conservation law and the law of conservation of energy equation; finally the droplets evaporation model considering the interaction of gas-liquid phase, quickly predict the dynamic characteristics of hydrogen combustion chamber. The invention adopts a set of ordinary differential equations to describe the dynamic characteristics of hydrogen combustion variation with time, avoid the calculation of complex partial differential equations modeling at the same time, to facilitate the oxyhydrogen burning control algorithm; the invention is simple and reliable, easy to use in engineering practice.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属工程热力学领域，具体涉及水下气氢气氧燃烧室动态特性的快速预测。
技术介绍
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，本专利技术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；本专利技术简单可靠，便于工程实践中使用。
技术实现思路
专利技术目的为了克服现有方法建模复杂且难以编程实现的不足，本专利技术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；本专利技术运算速度快、简单可靠，提高了氢氧燃烧室动态性能预测效率。本专利技术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；2)将液相蒸发视为N个液滴组成的液滴群蒸发，当液滴群处于受热阶段时，液相蒸发以扩散形式进行，当液滴群处于稳定蒸发阶段时，吸热量全部用于蒸发，据此计算液相蒸发质量流量；3)计算气液对流换热热流量时，要特别考虑液滴个数N的变化，燃烧室点火初始液相蒸发质量较小导致室内液相质量增加时，液滴个数N同时增加以增大对流换热面积和换热热流量，进而加快液相蒸发，据此计算气液对流换热热流量。为使气液相的相间作用模型顺利求解，需要求解不同压力下水滴蒸发的饱和温度。本专利技术的有益效果是：由于本专利技术采用了一组常微分方程组描述氢氧燃烧室各参数随时间的变化率，避免复杂偏微分方程组建模计算的同时，便于氢氧燃烧控制算法的实现；且该专利技术能够计算燃烧室出口混合气体中各成分气体的含量，为燃烧室工质的安全利用提供依据。本专利技术运算速度快、简单可靠，提高了氢氧燃烧室动态性能预测效率。下面结合附图和实施案例对本专利技术进一步说明。附图说明图1为某型氢氧燃烧室工作原理图；图2a为燃烧室冷却水蒸发质量流量变化曲线；图2b为燃烧室内液相质量变化曲线；图3a为燃烧室气液相对流换热热流量变化曲线；图3b为燃烧室内冷却水蒸发吸热热流量变化曲线；图3c为燃烧室内液相温度变化曲线；图4a为发动机工质秒耗量变化曲线；图4b为燃烧室内过热蒸汽出流质量流量变化曲线；图4c为燃烧室内气相质量变化曲线；图4d为燃烧室内过热蒸汽质量变化曲线；图5a为燃烧室内氢气质量变化曲线；图5b为燃烧室内氧气质量变化曲线；图5c为氢气流出燃烧室质量流量占其流入流量的百分比变化曲线；图5d为氧气流出燃烧室质量流量占其流入流量的百分比变化曲线；图6a为氢氧燃烧放热热流量变化曲线；图6b为加湿氢气的蒸汽热力学状态转变引起的放热热流量变化曲线；图6c为螺旋管出口蒸汽热力学状态转变引起的吸热热流量变化曲线；图6d为燃烧室温度变化曲线；图7为燃烧室压力变化图。具体实施方式本实施案例的建模仿真主要用于验证本专利技术方法在氢氧燃烧室动态性能预测方面的正确性和简便快速性，构造一个可用于水下推进的氢氧燃烧室，其工作原理可简单表述为：单位时间进入燃烧室的氢气和氧气燃烧放出热量dQfy；单位时间由喷嘴喷入的冷却水在对流换热量dQd1作用下蒸发质量dmzf，其和加湿氢气的过热蒸汽螺旋管出口过热蒸汽一道在dQfy和dQd1作用下产生发动机工质消耗量dmo。第一步：计算燃烧室内气相各参数变化规律由燃烧室的工作机理，根据质量守本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢氧燃烧室动态特性快速预测方法，其特征在于包括下述步骤：(a)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；(b)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；(c)利用液滴群蒸发模型考虑气液相的相间作用，进而形成一组封闭的常微分方程组，实现对氢氧燃烧室动态特性的快速预测。

【技术特征摘要】
1.一种氢氧燃烧室动态特性快速预测方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)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；
(b)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；
(c)利用液滴群蒸发模型考虑气液相的相间作用，进而形成一组封闭的常微分方程组，实现对氢氧燃烧
室动态特性的快速预测。
2.根据权利要求1所述的一种氢氧燃烧动态特性快速预测方法，其特征在于所述步骤(a)包括下述步骤：
(a)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
其混合气体流出燃烧室的质量流量；
(b)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
百分比计算其流出燃烧室质量流量；
(c)根据喷嘴工作特性计算不可压缩流体掺混冷却水流入燃烧室的质量流量。
3.根据权利要求1所述的一种氢氧燃烧动态特性快速预测方法，其特征在于所述步骤(b)包括下述步骤：
(a)针对水下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室内混合气体流出燃烧室的质量流量，并考虑掺混冷却水的蒸发
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；
(b)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
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振山，张方方，梁伟阁，谭思炜，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42