高能燃料燃烧流场的数值模拟

论文摘要

Li/SF6化学热源系统是一种以金属液态锂为燃料,SF6气体为氧化剂的先进闭式热动力系统。熔融态锂是一种高能液态金属燃料,1kg锂跟SF6反应可放出热量13kW·h。Li/SF6化学热源系统所具有的高能量密度、高比热能、不受外界环境影响及在标准操作压力下产生浓缩相产物等优点,无论是应用于水下动力装置、太空推进动力装置还是在其他特殊环境下的动力装置,都具有比较明显的优势,故对这方面的研究具有重要的实际意义。本文旨在通过构造反映Li/SF6化学热源系统结构和内部燃烧流动规律的模型与基本方程组,建立起描述该化学热源非稳态三维反应流的数学物理模型:模拟系统内部燃烧的RNGk-ε双方程湍流流动模型;模拟氧化剂与燃料进行一步燃烧反应时的有限化学反应速率模型:模拟内部燃烧流场较小光学深度的辐射换热DTRM模型等,对模型进行一定合理的简化,然后对系统内部燃烧流场进行了数值模拟。在数值模拟过程中,对计算区域的空间离散化引入贴体坐标系统;对控制方程采用一阶迎风格式进行离散:壁面处理采用壁面函数法:采用PISO算法来计算压力速度耦合问题等。本文通过对两个不同结构的反应器进行了数值模拟,比较分析了10秒内的燃烧流场,并逐渐增加入口流量对其中一个反应器进行了数值模拟,得到如下内容:1、反应初期,结构较小的反应器内流场变化更剧烈:2、流量的增加,加速了氧化剂与燃料的混合,导致反应速率增加、温度升高、压力波动范围变大,及在较长时间内整个反应处于非稳定状态。同时本文通过4组各不相同的入口质量流量和Li液初始温度对反应器进行了数值模拟,得到如下内容:1、入口流量越大,反应器内的温度及燃烧产物的量就越多;2、Li液初始温度越高,反应器内温度越高,而燃烧产物的量跟Li液初始温度无关等。通过数值模拟,可以较合理的设计试验方案,缩短实验周期,降低实验成本,为进一步进行设计结构、提高系统效率提供重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述及研究对象
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国内方面
• 1.3.2 国外方面
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 燃烧的基本理论
• 2.1 化学反应动力学的基本原理
• 2.1.1 反应速率与反应机理
• 2.1.2 质量作用与Arrhenius定律
• 2.2 典型反应
• 2.3 本章小结
• 第3章 数学物理模型
• 3.1 物理模型的描述与简化
• 3.2 化学反应流的基本方程
• 3.3 湍流流动模型
• 3.3.1 标准k-ε双方程模型
• 3.3.2 重正化群（RNG）k-ε双方程模型
• 3.4 燃烧模型
• 3.4.1 涡团耗散EDM模型
• 3.4.2 涡团耗散概念EDC模型
• 3.5 辐射模型
• 3.5.1 DTRM方程
• 3.5.2 射线跟踪
• 3.5.3 射线束
• 3.5.4 DTRM辐射模型中壁面边界条件的处理
• 3.6 本章小结
• 第4章 数值求解方法
• 4.1 网格生成技术
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 结构化网格生成技术
• 4.1.3 非结构化网格生成技术
• 4.2 基本方程的离散化
• 4.2.1 任意曲线坐标系下的基本方程
• 4.2.2 基本方程的离散化
• 4.3 算法
• 4.4 松弛因子
• 4.5 壁面边界条件的处理
• 4.6 本章小结
• 6燃烧系统的数值模拟与分析'>第5章 Li/SF₆燃烧系统的数值模拟与分析
• 5.1 几何模型及边界条件
• 5.2 数值模拟结果及分析
• 5.2.1 反应初始时刻的计算结果及分析
• 5.2.2 反应10s后的计算结果及分析
• 5.2.3 反应10s期间的温度变化
• 5.3 不同结构的计算结果及分析
• 5.3.1 反应初始时刻的计算结果
• 5.3.2 反应10s后的计算结果及分析
• 5.3.3 反应20s期间的温度变化
• 5.3.4 稳定燃烧
• 5.4 不同流量和初始温度下的计算结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢