多孔介质燃烧技术

多孔介质燃烧技术（精选3篇）

多孔介质燃烧技术 篇1

12.4.3 可压缩流动的求解策略 可压缩流动求解中速度、密度、压力和能量的高度耦合以及可能存在的激波导致求解过程不稳定。有助于改善可压缩流动计算过程稳定性的方法有  (仅适用于基于压力求解器）以接近于滞止条件的流动参数进行初始化(即,压力很小但不为零,压力和温度分别等于进口总压和总温)。在迭代过程的最初几十步不求解能量方程。设置能量方程的亚松驰因子等于1,压力的亚松驰因子0.4,动量的亚松驰因子0.3。求解过程稳定后再加入能量方程的求解,并将压力的亚松驰因子提高到0.7。

 设置合理的温度和压力限制值以避免求解过程发散。

 必要时,先以较低的进、出口边界压力比进行求解,然后再逐步升高压力比直到预定工况。对于低Mach 数流动,也可以先求解不可压缩流动,然后以所得到的解作为可压缩流动的迭代初值。

某些情况下,也可以先求解无粘性流动作为迭代初值。

2.5 无粘性流动

在高Re数流动中,惯性力相对于粘性力而言起支配作用,可忽略粘性的影响。例如高速飞行器在空气动力学方案分析阶段可以采用无粘性流动计算初步确定外形,然后进行粘性计算,将流体粘性和湍流粘性对升力和阻力的影响计入。无粘性流动计算的另一个用途是给复杂的流动提供好的迭代初值。对于特别复杂的问题有时这是唯一能使求解过程进行下去的方法。

无粘性流动的计算求解 Euler 方程。其中质量方程与粘性流动的相同:

其动量方程与粘性流动的相比,没有粘性应力项

粘性耗散项能量方程与粘性流动相比，式(2.34)~ 式(2.36)中符号的意义与粘性流动控制方程的相同见(2.1.1 ~ 2.1.3 节)。

2.6 多孔介质模型

多孔介质(Porous Media)模型可用于模拟许多问题,包括流过填充床、滤纸、多孔板、布流器、管排等的流动。多孔介质模型在流体区上定义(见17.2.1 节)。此外,一个被称为多孔阶跃面(porous jump)的多孔介质模型的一维简化可用于模拟已知速度−压降特性的薄膜。多孔阶跃面在界面区上定义。多孔阶跃面比多孔介质模型更健壮,收敛性更好.应 ANSYS FLUENT 参考手册 12首选采用。

2.6.1 基于表观速度的多孔介质动量方程

对于单相介质和多相介质,多孔介质模型可以使用表观速度或物理速度形式的公式。

基于表观速度的多孔介质模型根据多孔介质区中的体积流量率计算表观相速度或混合物速度。基于表观速度的多孔介质模型能够较好模拟多孔介质区内部的压力损失。但是在多孔介质区与非多孔介质区的交界面处的表观速度与的速度是相同的,不能反映实际速度变化所引起的动量变化,对计算精度不利。

多孔介质模型通过在动量方程中增加源项来模拟计算域中多孔性材料对流体的流动阻力。该源项由两部分组成即 Darcy 粘性阻力项和惯性损失项

其中,D 和 C 分别为粘性阻力和惯性损失系数矩阵。这个负的动量源项导致多孔介质单元中的压力降。同时,在全部变量的输运方程和连续性方程中,瞬态项变为,其中 γ 为孔隙率。

对于简单的均匀多孔介质,分别在系数矩阵D和C中对角线项代入1/α和 C2,而其它项为零,则有:

其中ɑ为渗透率C2为惯性阻力系数。也可以用速度大小的幂函数来模拟阻力:

 式中C0和C1为经验系数,且 C0的单位为SI制。采用幂函数时压力降为各向同性的。

2.6.2 Darcy 粘性阻力项

多孔介质中流动为层流时,典型情况下压力降与速度成正比, 即多孔介质模型简化为 Darcy 定律:

于是,在三个坐标方向上的压力降为

式中1/αij为系数矩阵D 的项Δni为多孔介质在三个坐标方向上的厚度。2.6.3惯性损失项

当速度比较高,或模拟多孔板和管排时,有时可忽略渗透项.只保留惯性损失项,则多孔介质方程简化为

或写成三个坐标方向上的压力降:

式中,C2,ij为系数矩阵C中的项Δni为多孔介质在三个坐标方向上的厚度。2.6.4 多孔介质中能量方程的处理

对多孔介质修正了扩散项和瞬态项的能量方程为

其中Ef为流体总能；Es为多孔介质基体固体总能r为孔隙率；为流体焓的源项，keff为多孔介质的有效导热系数，采用流体导热系数（包括湍流有效导热系数）kf与多孔介质中固体材料的导热系数ks的体积加权平均：

采用 UDF 可以定义各向异性的有效导热系数。

孔隙率 γ 定义为多孔介质区中流体的体积分数，也就是介质中空的部分所占的比例。孔隙率影响传热计算、输运方程中的非稳态项、以及介质中的化学反应和体积力。如果希望模拟介质为全空（即没有固体介质）的情况，应给定孔隙率等于1。

2.6.5 多孔介质中湍流的处理 在多孔介质中，当介质的渗透性很大且介质的几何尺度与湍流涡的尺度不发生相互作用时，可以认为固体基体对湍流的生成和耗散率没有影响。但其它情况下应降低多孔介质中湍流的影响。当采用湍流模型时（LES 除外），可通过将多孔介质指定为层流区（Laminar Zone）。而使湍流粘性μt为零来抑制多孔介质区中湍流效应。此时，进口湍流量被输运穿过多孔介质区，而其对流体混合及动量的影响被忽略，同时介质中湍流生成被置为零。

2.6.6 粘性阻力系数和惯性阻力系数

阻力系数一般是基于流体在多孔介质中的表观速度定义的。

阻力源项的计算可以采用相对速度或绝对速度。选择 Relative Velocity Resistance Formulation（相对速度阻力公式），选项可以更精确计算有动网格和运动参考坐标系时的源项。对于高度各向异性的多孔介质，当使用基于压力求解器时，选择 Alternative Formulation非常规公式，选项可以使求解过程更稳定。采用非常规公式时，通过多孔介质的压力损失取决于速度矢量第i 个方向分量的大小

 计算粘性阻力系数和惯性阻力系数的方法如下：(1)已知压力降，计算基于表观速度的阻力系数

使用多孔介质模型时，FLUENT假定单元中没有多孔介质的固体基体，即单元是100%开孔的（100% open），且所给定的阻力系数值是基于这一假设的。在已知流体流过实际设备中多孔介质的压力降Δp与速度的关系时，可计算 C2。流体流过开孔率为open%的多孔板时，基于实际流动速度的压力损失系数 KL定义为

式中V%open为流过多孔板的实际流速。

对于 100%开孔时的压力损失系数值，有

式中 V100%为流过开孔率 100%多孔板时的流速。而在相同流量下,速度与开孔率成反比,将 KL折算为100%开孔时的压力损失系数值

阻力系数 C2为单位厚度多孔板的压力损失系数

 式中Δn为多孔板厚度。

(2)使用 Ergun 公式计算通过层床的阻力系数

在湍流时，层床用渗透率和惯性损失系数模拟。对于多种类型的层床，在较宽的 Re 数范围内阻力系数可以采用半经验的Ergun 公式计算：

当层床中为层流时，忽略式(2.51)中的第二项，可得 Blake-Kozeny方程：

 式中μ为粘性系数，Dp为平均颗粒直径，L为床厚度，ε 为孔隙率，其定义为孔隙体积与层床总体积之比。

比较式(2.40)、式(2.42)和式(2.51)，可得各方向粘性阻力系数和惯性损失系数

(3)使用经验公式计算流过多孔板湍流的阻力系数

流过锐边孔多孔板的压力损失系数可以采用 VanWinkle 等的公式计算（适用于孔呈等边三角形布置的情况):

式中,为通过板的流量；Af为孔的总面积；Ap为板的总面积；C为适用于不同Re数范围和不同孔径厚度比D/t情况下的系数，t/D > 1.6且Re > 4000 时（Re 数的特征尺寸为孔径，特征速度为孔内的速度）C≈0.98。利用式(2.55)和

式中v为表观速度而非孔内的流速。与式(2.42)比较可得在垂直于板方向的阻力系数 C2：

(4)用实验数据计算流过纤维状材料层流的阻力系数

在已知任意排列的纤维材料的无量纲渗透率 B 与纤维体积分数之间关系的情况下，粘性阻力系数1/α可由无量纲渗透率的定义

a 为纤维直径确定。

(5)用压力降与速度关系实验数据计算阻力系数

可以用通过多孔介质的压力降 Δp与速度 v 关系的实验数据确定阻力系数。设实验数据用二次多项式拟合为

式中a1和a2为拟合系数。动量方程源项为单位长度的压力降，即

式中Δn 为多孔介质厚度。则比较式(2.38)和式(2.58)及式(2.59)，可得阻力系数

和

该方法也可以用于多孔阶跃面。2.6.7基于物理速度的多孔介质模型

FLUENT 默认情况下，在多孔介质中使用按体积流量率计算的表观速度。表观速度（Superficial Velocity）与物理速度（Physical Velocity）即真实速度的关系为式中γ为介质的孔隙率。

由于孔隙率小于1流体流入多孔介质中物理速度会提高，而表观速度不反映出来。为精确模拟多孔介质中的流动，应求解物理速度，而不是表观速度。

(1)单相多孔介质模型，单相流动情况下各向同性多孔介质中的通用标量输运控制方程为

体积平均质量方程和动量方程为

式(2.65)中最后一项代表多孔介质对流体的粘性阻力和惯性阻力。

采用物理速度求解时，式(2.65)中的两个阻力系数仍以表观速度计算（见本节2.6.6）FLUENT将其转换为与物理速度公式相应的值。

入口质量流量亦是以表观速度计算的。对于相同的入口质量流量和阻力系数对于表观速度或物理速度均应得到相同的压力降。

(2)多相多孔介质模型

可以使用物理速度多孔介质公式模拟包含有多孔介质区的多相流。关于多相流理论见第5章。各向同性多孔介质中第 q 相的通用变量的控制方程取如下形式：

其中γ为孔隙率；pq为第q相的物理密度；ɑq为第 q 相流体体积分数；为第 q 相的速度；为第q 相通用扩散系数；为源项。质量方程和动量方程为通用变量控制方程(2.66)适用于 Euler 多相流模型的所有输运方程。质量方程和动量方程为

式中最后一项为多孔介质中的动量阻力源项。该项由两部分组成粘性损失项和惯性损失项。K 为渗透率，C2为惯性阻力系数，二者均为(1 − γ)的函数。能量方程为

式中Qsp为多孔介质中固体表面与第 q 相的传热量。默认情况下，FLUENT 假定多孔介质的固体与多相流体之间处于热平衡，则

且

但也可以用求解用户定义标量（UDS）的方式单独求解多孔介质固体的导热方程：

 这时如仅考虑对流换热，有

式中hq,eff为有效传热系数，Ts为多孔介质固体表面温度。2.6.8 多孔介质模型的限制和求解策略

多孔介质模型的假定和限制条件

多孔介质对湍流影响的模拟是近似的。当在运动坐标系中应用多孔介质模型，多孔介质采用相对速度形式的阻力公式时，动量方程可以采用相对速度形式或绝对速度形式。

当多孔介质区中在流动方向上压力降较大时（例如渗透率 α 较小或惯性系数 C2较大），收敛速度较慢。解决收敛性问题的最好方法是估算多孔介质压力降的合适的迭代初值，并以分块（Patch）的方式初始化，使多孔介质区上、下游的初始压力差满足该压力降值。另一个方法是暂时停用多孔介质模型求解获得没有多孔介质的流场的初步解，然后再启用多孔介质模型继续求解（此方法对于高流阻多孔介质不适用）。高度各向异性的多孔介质模型可能有收敛困难的问题可将各方向多孔介质系数（1/α ij和 C2,ij）的相差倍数限制在2—3 个数量级以内来解决这一问题。如果某一方向的介质阻力为无限大，只需将其置为主流方向阻力的1000倍。

多孔介质燃烧技术 篇2

发动机排放法规的日益严格和对发动机经济性的要求越来越高,随着发动机控制技术的发展,HCCI燃烧技术在内燃机节能和降低排放方面的潜力引起了内燃机界的高度关注,美国、欧洲和日本的一些研究机构和企业都大力开展这一领域研究工作,HCCI被认为是发动机燃烧技术的一个重大进步。与传统的火花点火发动机相比,HCCI方式采用均匀的空气与燃料混合气,但用压燃代替火花塞点火;与传统的柴油机相比,HCCI方式采用压燃着火,但混合气充量是均质的。试验证明这种燃烧方式具有较高热效率、低NOx和PM排放等优点[1,2]。但是随着经济性和排放性要求的提高,就要求人们开发更新的HCCI实现技术,既在发动机内部改变燃烧的初始过程,根本上减少废气的排放,多孔介质燃烧技术作为一种新兴的技术引起了人们的注意。

1 多孔介质燃烧技术

传统的燃烧技术足以自由火焰为特征的,其燃烧不可避免地会有温度分布不均、燃烧区域狭小、污染物排放严重等缺点,而这全归因于气体的导热性能和辐射性能较差。相对于自由火焰为特征的预混燃烧方式来说,多孔介质中的预混燃烧方式是一项燃烧途径完全不同的燃烧技术,是一种新颖、独特的燃烧方式。它是气体混合物在一种既耐高温、导热性能又好的特殊多孔介质材料里燃烧的过程。

多孔介质燃烧技术最早是为了普通的稳态燃烧和工业燃烧过程而开发的一种燃烧技术。它同自由燃烧有着显著的差异。自由燃烧火焰范围较窄,仅限于一个狭窄的,蓝色的高温区内。由于热量不能有效的从反应区传播到火焰上方,这就导致了燃烧无法扩散。增强预混合燃烧热传递的唯一方法就是增加自由燃烧区的紊流稃度,而增加紊流程度虽然在某种程度上可以改善自由燃烧系统,但其在实际应用中的表现还远不能满足人们的要求。在多孔介质中,燃烧则展现了一种完全不同的情况。多孔介质具有优秀的热传递性和很大的比热容。这种固体材料可以将反应区扩大到整个多孔区域。多孔介质燃烧严格遵从Pelet法则,Pelet数大于65燃烧才能发生。仅当燃烧放热率高于混合气散热率时,燃烧才能在多孔介质中实现[3]。

在多孔燃烧中,反应区烧所放出的热量可以通过固相(辐射,传导作用)和气相(对流作用)双重传播。反应开始的区域Pelet数高于65就可以实现燃烧[5]。上流的辐射对流传播还可以被应用于燃料的汽化。这种多孔介质中发生的预混合气体的稳定燃烧具有以下特点:

1)提高燃烧效率和燃烧稳定性。

2)由于热量能够有效地传向固体,固体材料具有较高的热容,这就导致了燃烧的低温度,从而降低了NOx的排放。

3)反应区温度分布均匀。

4)反应区较厚。

5)燃烧速度快。

6)反应区无火焰。

7)燃烧稳定,完全。

8)排放水平低。

9)有效压力高,能耗低。

10)负荷调节范围大(l:20)。

11)空气过量系数高,可达到充分燃烧。

12)混合气形成不依赖于喷射。

以上特点均说明多孔介质燃烧可以应用于那些需要高效燃烧过程和低排放的领域。孔隙高度发达的多孔介质具有很大的热容量和热交换面积,导热系数和热辐射能力也比气体大得多,是比气体好的多的传热媒介,可以实现能量的快速传递。孔隙率高的多孔介质对气体的流动阻力小,若在混合气的流动方向上垂直安放多孔介质,必将显著改善燃烧室的整体换热性能[4]。利用多孔介质这一特殊的燃烧场,可以实现混合气与多孔介质之间以及燃烧产物与多孔介质之间的快速换热,从而可以解决自由火焰固有的问题。

2 多孔介质燃烧技术在发动机上的应用

多孔介质燃烧技术可以应用于发动机。并且气态燃料和液态燃料在影响发动机的性能方面没有太大区别。特别是液态燃料的可行性将会使直喷模式的作用更为有效。因此,具有优良排放性能的发动机将取决于多孔介质燃烧技的应用。well等人仅对发动机汽缸进行了少许改进,就将多孔介质燃烧技术应用在了发动机上,从而实现了从根本的燃烧过程中解决排放问题,并且获得了较高的效率。他们是通过两种方案实现的这种改进。第一种是汽缸工质与多孔介质永久接触,第二种是汽缸工质与多孔介质间接接触。在汽缸工质与多孔介质间歇接触的条件下,多孔介质被封闭在一个装有塞子的特殊空腔内。在这种方法中,塞子在压缩上止点时打开直到排气终点。燃料在塞子关闭的状态下喷入。well人仅对第一种方案进行了实验。他们在现有的Hatz发动机进气门和排气门中间加了一个多孔介质,共轨系统被安装在发动机的头部,水冷系统安装在多孔介质内部的喷管之前。按照这种方式组装的发动机的压缩比为16.8,比原来的Hatz发动机略低。在实验中,汽缸的几何参数的设计和气门开启时问都没有改变。以上的叙述表明多孔介质发动机可以从现有的发动机经过微小的改进实现。在改进后的发动机上,进气流经进气道进入,在多孔介质中不设进气阀。此种设计类似于传统发动机的设计。其工作过程:

在进气终点时,工质已经作好了燃烧准备。由于多孔介质在压缩过程中的作用,气流的具体情况对燃烧并不起作用,是多孔介质使气流为燃烧作了充分准备。在压缩过程中,工质被压入汽缸顶部的多孔介质中,有多孔介质中的小孔产生的气流形成较强的小规模的流场。在多孔介质中,经常因为小的涡流而产生较强的水平涡流。在多孔介质中气体的温度在压缩过程中不断上升在接近压缩终点时,燃料通过传统的柴油直喷喷嘴喷入多孔介质,强大的涡流运动将喷入的柴油分布到介质的内部,具有很大的有效面积和热容的多孔介质内部的高温使燃料迅速汽化。然后,气流运动再次将燃料与空气混合,为最后的点火提供了均匀的混合气。如此迅速的完成这一过程,完全归功于优秀的气流运动和多孔介质的环境温度。在压缩终点,混合气的温度可以看成与多孔介质相等大概保持了上一个循环的燃烧温度。在相同的压缩比的状态下,多孔介质发动机比传统的发动机燃气温度高,但其最高温度要低于传统发动机。由于燃料是被喷射进入,点火仅在多孔介质中进行,所以火焰迅速通过多孔介质。火焰的迅速传播使燃烧在温度相对稳定的条件下进行。燃烧的具体情况受喷射率和喷射时刻的影响。由于多孔介质面积同活塞面积相比很小,所以此时对活塞没有作用,燃烧过程仅发生在多孔介质内部,汽缸中无自由火焰。

按照这种过程燃烧所放出的能量一部分用来增加工质的能量,另一部分被储存在多孔介质中用于下一个循环的工质预热。整体上考虑,由于多孔介质的高热容,和热量的有效传递,降低了火焰的最高温度。

由于完全的汽化和充分的混合,多孔介质中的燃烧效果将不再取决于喷射的性质,也就是说这一燃烧过程将不再受负荷影响。多孔介质发动机的膨胀过程和排气过程主要发生在多孔介质的外部,也就是汽缸的自由空间之中,同传统的柴油机类似。

多孔介质发动机同传统发动机相比主要3点改变为,第一多孔介质中安放在进气门和排气门中间。第二使用平顶活塞。第三用共轨系统代替了。发动机原有的喷射系统,使用电子控制喷射。在实验中研究人员还发现,喷射进行外部冷却对于保持电子阀的低温以保持机器的正常工作是非常必要的。因此,系统上加装了水冷系统。高压泵由转速为1200r/min的电机带动,发动机上只在固定位置安装了一个曲轴转角传感器。最终实验证明,经过改装传统直喷式柴油机而实现的多孔介质发动机可以成功的运转,它具有极低的排放水平,较高的循环热效率(压缩过程接近卡诺循环),燃烧温度稳定,燃烧温度均衡等特点,是目前为止最理想的均质冲量压缩燃烧(Hccl)实现方式[6,7]。

3 多孔介质发动机燃烧的设计和分析

3.1 195单缸柴油机气缸盖改装设计和分析

195型柴油机,是单缸、卧式、涡流室式、四冲程风冷柴油机。其具有设计先进、轻便小巧、结构紧凑、性能良好、工作可靠、操作维修方便等特点,其配套用途广泛,可作为小型水泵、喷灌、泵药、发电、收割、脱粒、插秧、耕整、船机、运输等多种用途的理想配套动力。

基本参数如表1。

对l95单缸柴油机气缸盖进行了改装设计。

根据压缩比公式:ε=气缸总容积燃烧室容积

合适的缩小燃烧室容积,能够保证压缩比在20:l左右,从而实现燃料的压燃。这样压缩比从17提高到20,压缩比的增加,有利于压缩终了时混合气压力和温度的提高,燃烧速度增快,因而发动机发出的功率增大,热效率提高,经济性好。

3.2 多孔介质的选择和分析

影响多孔介质燃烧最重要的参数是多孔介质的孔径,孔隙率,材料强度和材料的抗热冲击特性,还有材料的表面特性。孔隙高度发达的多孔介质具有很大的热容量和热交换面积,导热系数和热辐射能力也比气体大得多,是比气体好的多的传热媒介,可以实现能量的快速传递。孔隙率高的多孔介质对气体的流动阻力小,若在混合气的流动方向上垂直安放多孔介质,必将显著改善燃烧室的整体换热性能。利用多孔介质这一特殊的燃烧场,可以实现混合气与多孔介质之间以及燃烧产物与多孔介质之间的快速换热,从而可以解决自由火焰固有的问题。

根据上文,孔隙率选择70%以上的多孔陶瓷,多孔陶瓷是由美国人F·R·Mollard和N·Davidson等人于1978年首先研制成功的。他们利用氧化铝、高岭土等陶瓷材浆制成多孔陶瓷。多孔陶瓷材料的性能由微孔的表面化学特性和微孔的尺寸特性决定的。不同工艺制备的多孔陶瓷,它的特性也是不同的。不同性能的多孔陶瓷有不同的应用。把多孔陶瓷加工成半径为18mm高度为43mm的圆柱状,多孔陶瓷安装固定方面,设计了金属环将经加工的多孔介质固定在涡流室内如图1所示。

3.3 喷油器的的选择和分析

从多孔介质中发生的预混合气体的稳定燃烧具有的特点,可知混合气形成不依赖于喷射。

l95单缸柴油机的燃烧室是涡流室式,喷油器是轴针式的,其特点:

1)不喷油时针阀关闭喷孔,使高压油腔与燃烧室隔开,燃烧气体不致冲入油腔内引起积炭堵塞。

2)喷孔直径较大,便于加工且不易堵塞。

3)针阀在油压达到一定压力时开启,供油停止时,又在弹簧作用下立即关闭,因此,喷油开始和停止都干脆利落,没有滴油现象。

4)不能满足对喷油质量有特殊要求的燃烧室的需要。

根据轴针式喷油器的特点,不用改动l95单缸柴油机的喷油器,采用轴针式喷油器[8]。

4 结论

本文在分析了多孔介质燃烧技术基础上,又对该技术在发动机上的应用进行了详细的分析,并以195单缸柴油机为例,主要从气缸盖、多孔介质、喷油器3个方面做了进一步的分析,主要得到以下结论。

1)将多孔介质燃烧技术运用到发动机上可以降低排放、提高循环热效率(压缩过程接近卡诺循环)、使燃烧温度稳定和燃烧温度均衡。

2)多孔介质燃烧技术的应用能够解决自由火焰固有的问题,实现混合气与多孔介质之间以及燃烧产物与多孔介质之间的快速换热。

参考文献

[1]赵新顺,曹会智,等.HCCI技术的研究现状与展望[C].内燃机工程,2003,8.

[2]吴学成.多孔介质中的预混燃烧发展现状[C].电站系统工程,2003,1.

[3]Sumrerng Jugjai and Anantachai Sawananon.The surface com-bustor-heater with cyclic flow reversal combustion embed-ded with water tube bank.Fuel,[J],2004,83(17-18):2369-2379.

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[5]Amanda J.Barra a>and Janet L.Ellzey.Heat recirculation andheat transfer in porous burners.Combustion and Flame,[J],2004,137(1-2):230-241.

[6]赵治国,解茂昭.多孔介质发动机燃烧过程的多维数值研究[J].内燃机学报,2007,4.

[7]刘宏升,解茂昭,陈石.多孔介质发动机有限时间热力学分析[J].大连理工大学学报,2008,4.

多孔介质燃烧技术 篇3

为适应未来高科技局部战争的需要,以固体发射药为能源的常规火炮在初速、射程、射频、战场生存能力、后勤支援能力等综合性能方面难以大幅度提高,成为制约火炮发展的瓶颈[1]。于是,世界各国军事专家竞相开展新概念火炮的研究,其中液体发射药火炮是研究热点之一。液体发射药火炮(LPG)是一种利用液体燃料作为能源的新概念化学推进武器[2],它主要有两种工作模式,即再生式和整装式。整装式液体发射药火炮(BLPG)结构最简单,与常规火炮相似,但其内弹道循环与固体发射药火炮相比有着本质上的不同,它采用底部点火,点火射流喷入液体发射药中形成泰勒空腔,液体燃料局部被点燃后,燃烧即在气液界面上进行,所产生的高温高压燃气对弹丸膨胀做功,推动弹丸运动并将其以一定的速度抛射出膛外。由于气液界面的速度差导致Kelvin-Helmholtz不稳定性,造成气液界面及液体破碎的随机性,成为BLPG燃烧失控的关键问题。20世纪90年代初,Talley和Rosenberger[3,4]提出采用多级渐扩型药室结构来控制燃烧稳定性,Talley[5]提出采用多药室组合结构来控制燃烧稳定性。在实验研究基础上,Macpherson[6]、Despirito[7]等人成功模拟了BLPG的内弹道过程。本文提出以多孔介质控制整装式液体发射药燃烧稳定性的方法,并在小口径模拟装置上进行了探索试验。

1实验装置

小口径整装式含能液体燃烧推进模拟实验装置如图1所示,它主要由脉冲点火系统、液体药燃烧室和身管三部分组成。其中脉冲点火系统包含一个密闭燃烧器,在内部放置一个点火药包,药包为硝化棉和2/1火药的混合物,药包中插入电阻丝。通电后,电火花引燃点火药,产生高压高温燃气,当燃气达到一定压力后破膜进入燃烧室以点燃整装式液体药。点火气流喷射孔直径为2.5 mm,膜片为紫铜。

实验时先在身管坡膛处装填模拟弹丸,然后在燃烧室中填充泡沫塑料多孔介质,并注射液体发射药,利用瞬态压力测试系统和弹丸初速测量装置,即可进行燃烧推进模拟实验。

1—身管, 2—模拟弹丸, 3—燃烧室本体, 4—测压孔, 5—含多孔介质的液体药, 6—点火射流孔,7—脉冲点火器

2实验结果及讨论

2.1整装式含能液体在圆柱形药室中燃烧的实验现象

实验中,燃烧室采用圆柱形(直径为11 mm,长度为60 mm),装填液体发射药OTTO-Ⅱ。在相同实验条件(装填密度均为0.848 g/cm3)下所做两次实验的p-t曲线如图2所示。

由图2可见,这两次p-t曲线的形状不完全相同,且存在压力振荡。两条曲线上升前沿基本相似,压力脉动可以认为是由于点火过程导致的,1.5 ms左右压力脉动变得更加明显,并且振幅越来越大。在大约1.75 ms左右出现一个小的跳跃的压力平台。紧接着压力急剧上升,形成一个比较尖的压力峰。随后曲线呈指数下降趋势。在下降阶段,左边的曲线比右边的丰满,左边曲线出现了第二个小的跳动的压力平台。两次实验的弹丸速度分别为1 372.5 m/s和1 319.9 m/s。因此,采用该药室的燃烧过程不稳定,有明显的压力振荡存在,内弹道过程的一致性不好。这是因为:在整装式液体发射药火炮中,由底火击发后产生高速的气流,在液体中形成Taylor空腔,该空腔发展很快,导致气液界面上的气液交换非常猛烈,涡团尺寸很小;而涡团尺度越小,每一涡团被拉伸变形越严重,气液间搅拌或交换越充分,液膜被撕裂成的液雾尺寸也越小。雾滴着火燃烧后,释放能量,对Taylor空腔具有增大膨胀和强化趋势,即所谓的“强化机制”。就是说点火射流形成的Taylor空腔越发展,Helmholtz效应越强烈。可见Taylor空腔与Helmholtz不稳定效应是正激励关系,即正反馈机制。另一方面,由湍流特性可知,任何湍流都是随机脉动的,因此BLPG中的Taylor空腔发展与Helmholtz不稳定效应过程具有随机脉动性能。如果Taylor空腔发展与Helmholtz不稳定性是相互制约关系,则气液作用能比较稳定地保持在某一水平。然而,恰恰相反,它们是正激励关系。因此,从燃烧机理上说,液体发射药在通常整装式条件下燃烧不稳定是其固有特性。

因此,要控制BLPG的燃烧过程,获得稳定的内弹道性能,就必须采用某种技术来制约湍流脉动幅度或这种正反馈机制,而采用多孔介质有可能达到上述目标。

2.2多孔介质控制燃烧稳定性的方法

我们在圆柱形药室中填充泡沫塑料多孔介质,孔隙直径约1 mm, 孔隙率约85%—90%,实验时灌注不同质量的液体药OTTO-Ⅱ,形成不同的装填密度进行试验,典型结果如图3所示。

由图3可见,随着装填密度的变小,即0.678 g/cm3、0.593 g/cm3、0.589 g/ cm3和0.516 g/cm3,压力振荡也变小。相反随着装填密度的增加,振荡开始出现,并且幅度逐渐增强,甚至超过了未加多孔介质的实验。这可以说明,在中等合适装填密度情况下,采用多孔介质可以改善整装式液体发射药点火燃烧性能,提高燃烧稳定性。但在装填密度较大的情况下,多孔介质的功能就逐渐减弱了,甚至出现了反作用。

这是因为:在合适装填密度下,高温高压点火气流进入药室后,所形成的Taylor空腔在多孔介质-液体混合体中发生传播时,气液界面即Helmholtz交换层中发生的物理化学过程受到多孔结构的制约。只有当某一孔径内气液介质交换达到一定程度,特别是着火燃烧后,火焰才能向相邻孔径传播。于是火焰一层一层地沿空隙向外扩展,火焰面扫过的空隙内液体药已充分燃烧,即多孔结构可以控制初始燃烧面。在这种情况下,火焰传播的随机性和任意性得到控制,从而保证了燃烧过程的稳定,衰减了压力振荡。而在大的装填密度下,首先液体受压后的“水锤”效应没有完全消失,其次多孔结构的存在,强化了压力波的反射,使得振荡加剧。

3结论

根据本文的实验结果可得出如下结论:

(1)整装式含能液体在圆柱形燃烧室中从底部点火,其燃烧过程是不稳定的,内弹道过程的一致性较差;

(2)在圆柱形燃烧室中填充多孔介质,可改善整装式含能液体的燃烧稳定性,但与液体发射药的装填密度有关。当装填密度约0.52 g/cm3时,燃烧过程的p-t曲线光滑;当装填密度大于0.58 g/cm3时,可观察到明显的压力振荡现象,且装填密度越大,压力振荡越强。

摘要：设计了整装式含能液体燃烧推进模拟实验装置,采用可燃性多孔介质填充于液体发射药燃烧室中,开展了整装式含能液体燃烧推进试验研究。结果表明:多孔介质可以控制整装式含能液体的燃烧稳定性,但与液体发射药的装填密度有关。当液体发射药的装填密度约0.52g/cm3时,燃烧过程稳定,p-t曲线光滑;当液体发射药的装填密度大于0.58g/cm3时,可观察到明显的压力振荡现象,且装填密度越大,压力振荡越强。

关键词：燃烧稳定性,含能液体,多孔介质,实验研究

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