三亿体育官方网站如何提升无人水下航行器续航？研制的“热管反应器”可以有效解决

添加时间：2024-02-16 10:59:14

　　无人水下航行器的性能和作用在很大程度上取决于续航能力, 动力源是其技术发展的主要瓶颈之一。

　　目前, UUV 主要使用电动力推进, 具有使用简便、隐蔽性好、不受海水背压影响的优势。然而现有电池的发展技术水平, 制约了动力系统的运行时间。

　　然而, 该动力系统仅适合于短时间、高功率的工况。对于需要长时间、低功率运行的轻型 UUV, 容易导致反应器喷嘴堵塞, 重复启动困难, 因而研究人员期望设计适用于 Li/SF6 缓慢燃烧的反应器。

　　美国宾州州立大学的 G.M.Faeth研究团队首次提出“毛细灯芯燃烧”的概念,通过使用类似蜡烛灯芯的吸液芯, 改变燃烧器结构, 降低反应器放热功率, 研制了“热管反应器”概念样机。

　　美国爱荷华大学的 L.D.Chen等进行了Li/SF6 燃烧试验, 获得了 Li 缓慢燃烧的燃烧规律, 对反应工况选定给出指导。

　　印度的 S. K. Dahikar等采用数值计算方法, 研究了SF6 在 Li 液中燃烧反应, 给出了燃烧反应区域长度的预测方法。

　　哈尔滨工程大学刘晓瑜等开展了 Li/SF6 无吸液芯的燃烧反应数值计算研究, 给出了燃烧反应温度、速度流场分布。

　　开展了Li/ SF6 的缓慢燃烧试验研究，结果可为燃烧器及吸液芯设计提供依据。

　　现有研究主要集中在 Li/SF6 热管反应器设计及试验上，缺乏针对闭式循环动力系统的热力计算模型，限制了系统的研制进程。

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　　因此, 开展针对系统的热力计算建模和仿真, 获得系统变工况动态特性,对于研制小型 UUV 动力系统有重要意义。

　　系统启动后, 金属丝网通过毛细力将液态 Li 提升至反应区域, 与通入的 SF6 气体反应。

　　过热蒸汽在微型涡轮机中膨胀做功, 进而带动发电机发电, 完成能量转换过程。

　　反应过程中, 生成物 LiF和 Li2 S 密度大于 Li, 沉于锅炉反应器中, 不需排出体外。

　　整个动力系统能量密度高, 启动性好, 无产物排放, 不受海水深度影响, 满足小型 UUV 对动力系统的低输出功率和长工作时间的要求。

　　获得动力系统在变工况条件下的动态特性, 是提出控制策略的前提。在此之前, 需要建立稳态计算模型, 获得设计点工况参数。

　　建立能够反映变工况过程中工质在螺旋盘管蒸发器和冷凝器中的相变换热模型是难点所在。

　　考虑到系统仿真速度和仿真精度,文中采用移动边界模型法对蒸发器及冷凝器建模。

　　文中 A, L, S, h, m, p, q , p ,, n 分别代表面积、长度、周长、比焓、质量、压强、单位长度换热功率、密度、换热系数、空隙率、滑移率、效率; 下标 gl, pz, zf, i, o, h, l, e, g, w, bh, av 分别代表锅炉、喷嘴、蒸发器(螺旋盘管) 、进口、出口、高压区、液相、两相、气相、壁面、饱和、平均。

　　由于动态模型中, 各相区的长度是动态变化的, 两相区和单相区之间的分界点不易捕捉, 若采用分布参数模型对各相区分别进行网格划分, 建模过程将十分复杂。

　　此外, 由于两相流体和单相流体的传热和流动特性相差较大, 若采用简单的单节点集总参数模型, 即不同相区的计算模型相同, 仿真精度将难以保证。

　　在结合二者各自特点, 采用分区集总参数方法, 将各相区的长度作为求解变量, 动态跟踪两相区和单相区之间边界位置。

　　沿流动方向设置坐标轴 z 轴, 其中长度变量 LA 和 LB 是进出口截面上的坐标。

　　由于从系统角度仿真计算时, 并不需要准确反映涡轮机内部工作过程, 只需要求解反映主要性能的参数。

　　另外, 该方案采用的微型涡轮机与换热器相比动态过程的时间常数较小,所以可以采用稳态模型计算。

　　涡轮机进口参数为蒸发器出口参数, 其采用微型缩放喷嘴用于蒸汽的膨胀加速。

　　由于喷嘴的作用, 蒸汽在喉部达到临界状态, 蒸发器出口蒸汽的流量与温度、压力存在耦合关系。

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　　式中: hln ig 为根据涡轮机进口的压力、温度求得的等熵膨胀时的焓值, 其压力为涡轮机出口压力nwl 为涡轮机的效率。

　　由于该系统着重研究水泵流量阶跃变化时系统的动态性能,不研究水泵的内部工作过程, 在此不再对水泵进行建模, 系统模型建立完毕。

　　在仿真计算时, 通过改变泵的流量, 研究系统的动态过程, SF6 气体通入量与泵的流量成正比变化, 仿线