水下热动力闭式循环的燃烧过程数值模拟

水下热动力闭式循环的燃烧过程数值模拟Li/SF₆热源系统是一种先进的贮备化学能推进系统,其优点在于反应放出高能热量的同时可以不向容器外排出废料废气,从而构成闭式循环,不受外界环境背压影响,是一种理想的用于水下的热动力系统。锂和六氟化硫的反应十分剧烈,不易控制;浸没喷射反应中锂是以熔融态充满整个燃烧室,反应过程在实验中观察比较困难。因此,数值模拟方法在研究中起到重要作用。

本文的研究对象为六氟化硫气体在充满熔融锂的燃烧室内与锂液发生燃烧反应的过程。首先对模型进行合理简化,采用欧拉-拉格朗日方法以及涡耗散模型对浸没喷射反应流场进行仿真计算。数值模拟结果与文献数据有良好的吻合度,验证了所采用数学物理模型的可行性。

通过对燃烧过程中的温度、压强、组分等分布及其形成原因的分析,确定了反应区的结构和尺度,在此基础上研究了锂液初温和六氟化硫喷射速度以及喷注方式对于燃烧流场的影响。结果发现提高锂液初温和增大六氟化硫的喷射速度都能够缩短燃烧室流场达到稳定的时间,并能提高系统换热能力。对于稳定后的燃烧流场,六氟化硫喷射速度对流场的形态和分布作用比较显著,而锂液初温对于燃烧流场的影响较小;以两个喷嘴对向喷注的方式能够显著增强对流换热,比单个喷嘴提高质量流量获得更好的换热能力。

本文研究了Li/SF₆热源系统反应区的结构和尺度,完成了初始条件和喷射方式对燃烧流场的影响分析,其结果为Li/SF₆热源的闭式循环系统燃烧室的结构设计及优化提供技术参考。