（动力机械及工程专业论文）lisf6表面喷射反应器内燃烧流场数值研究.pdf

l i s f 6 表面喷射反应器内燃烧流场数值研究捅要l i s f 6 液态金属燃料化学能源模式是一种拥有广阔应用前景的新型能源模式，因其能量密度高、反应物易存放、产物无排放可以构成闭式循环等优势在高温化学蓄热技术、水下推进技术等领域得到了广泛应用。表面喷射反应( 熔池内l i s f 6 缓慢燃烧) 是一种新型反应形式，可以释放出大量能量，同时也容易对反应进行控制，对于这种反应形式进行深入研究具有现实意义，本文通过数值模拟方法对l i s f 6 表面喷射闭式循环反应器内气液传质燃烧过程进行研究。本文对具体问题进行了合理简化，重点分析气液传质过程中气液两相化学反应的热量释放以及随温度升高过程出现的相变问题。基于经典的w h i t e m a n 膜理论的基本假设确立反应器内部气液传质模型，应用物料衡算法的基本思想求解气液传质系数，确定扩散控制的气液反应速率；建立反应器内传热、传质、相变过程数学模型，并且应用移动网格技术捕捉反应界面( 液面) 的变化过程；采用有限单元法进行离散求解，模拟得到了反应器内温度分布、速度分布、组分浓度分布、相变过程以及液面变化过程。通过数值模拟得到以下结论：首先，物料衡算法计算得到的气液传质系数与气体入口速度、喷嘴半径等参数有关；其次，气体由喷嘴进入反应器2 s 后与液体接触，开始发生化学反应，液面中心处的化学反应最剧烈，气体和液体消耗的最快，液面变化的位移最大；第三，反应释放热量使得反应器内温度升高，液面中心处温度值最高，随着反应不断进行高温区域向液面周围及反应器内其它位置扩展，反应进行2 0 s 后液面中心温度超过4 0 0 0 k ，整个液面的温度都超过初始温度8 0 0 k ；第四，反应进行5 s 后液面中心温度达到锂的沸点，开始有锂蒸气形成，相变形成的锂蒸气通过分子扩散的形式传递到液面上方的气体区域，并且由于相变过程的发生，使得液体的温度与不考虑相变情况相比有所下降；最后，其它条件都相同时，六氟化硫气体的入口质量流量越大，化学反应发生的时间越短、反应器内温度越高；质量流量的变化还会对相变过程产生影响，质量流量增加会使相变过程发生的时间提前，并且随着质量流量的增大相变生成锂蒸气的浓度也增加。关键词：金属燃料l i s f 6 膜理论数值模拟l i s f 6 表面喷射反应器内燃烧流场数值研冗a b s t r a c tt h el i s f 6m e t a lf u e lh e a ts o u r c es y s t e mi sa l la d v a n c e ds y s t e mw h i c ht a k e sm o l t e nl i t h i u ma sf u e l ，a n ds u l f u rh e x a f l u o r i d ea so x i d e r a st h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hd e n s i t yo fe n e r g y ，c a nr e l e a s eal a r g eq u a n t i t yo fe n e r g yi nas h o r tt i m e ，t h ep r o d u c t i o nd o e sn o th a v et ol e to u t ，e t c ，i th a sd i s t i n c t i v es u p e r i o r i t yw h e nu s e da se n e r g ys o u r c en o to n l yi nu n d e r w a t e rp o w e rp l a n t sb u ta l s oi ne n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g y t h es u r f a c ei n j e t i o nr e a c t i o n ( l i s f 6s l o wc o 1 b u s t i o ni nam o l t e np o o lr e a c t o r ) i san e wk i n do fr e a c t i o nf o r m w h i c hc a nb ec o n t r o l l e de a s i l y ，s or e s e a r c h e so nt h i st y p eo fr e a c t i o nh a v ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i st h e s i s ，an u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sm a d et oi n v e s t i g a t et h eg a s - l i q u i dc o m b u s t i o np r o g r e s si nt h el i s f 6s u r f a c ei n je c t i o nc l o s e dc y c l er e a c t o r i nm ep r o c e s so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i tw a sp a i dm o r ea t t e n t i o nt ot h ee n e r g yr e l e a s eo ft h eg a s 1 i q u i dr e a c t i o na n dt h ep h a s ec h a n g ep r o b l e ma c c o m p a n i e db yt h eh i g hl i q u i dt e m p e r a t u r e t h eg a s l i q u i dm a s st r a n s f e rm o d e lo ft h er e a c t o rw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ec l a s s i c a lw h i t e m a nf i l mt h e o r y ，am a s sb a l a n c eb a s e da p p r o a c hw a su s e df o re s t i m a t i n gt h er e a c t i o nr a t eo ft h ed i f f u s i v e c o n t r o l l e dg a s - l i q u i dr e a c t i o n ；e q u a t i o n st h a ta r eg l o b a l l ys u i t a b l ef o rt 1 1 eg o v e r n i n go fm o m e n t u mc o n s e r v a t i o n ，h e a tt r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e ro f b o t hl i q u i da n dg a si nt h ec o m p u t a t i o nr e g i o nw e r ee s t a b l i s h e d ，a n ds od i dt h ep h a s ec h a n g ep r o g r e s so fl i q u i dl i t h i u m a na l et e c h n o l o g yw a se m p l o y e dt od e t e r m i n et h ep o s i t i o na n dm o r p h o l o g yo ft h ei n t e r f a c eb e t w e e ng a sa n dl i q u i d t h ef e mm e t h o dw a sa p p l i e dt od i s c r e t i z ea n dr e s o l v et h eg o v e r n i n ge q u a t i o n s ，b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n di n i t i a lc o n d i t i o n s o nt h eb a s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，w i t ht h eh e l po fc o m s o l3 5 a ，t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l d ，c o m p o n e n tc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n s ，p h a s ec h a n g ea n dt h ep o s i t i o no ft h eg a s - l i q u i di n t e r f a c ew e r en u m e r i c a ls i m u l a t e da n dg o tc o n v e r g e dr e s u l t s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w e dt h a t ，t h eg a s l i q u i dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a sr e l a t e dt ot h eg a si n f l o wv e l o c i t ya n dn o z z l ed i a m e t e r ；c o m b u s t i o nw a sf i r s to c c u r r e do nt h eg a s 1 i q u i di n t e r f a c e ，a n de n e r g yw a sr e l e a s e di nt h em i d d l eo ft h ei n t e r f a c ef i r s t l y ，s oi nt h i sp o s o t i o nt h et e m p e r a t u r ew a st h em o s th i g h t e s t ，a st i m ei n c r e a s e d ，r e a c t i o ne x p a n d e dt oo t h e rp o s i t i o n so ft h ei n t e r f a c e w h e nt h el i q u i dt e m p e r a t u r er e a c h e dl i t h i u m sb o i l i n gp o i n t ，p h a s ec h a n g eo c c u r r e d ，i tm a d et h el i q u i dt e m p e r a t u r eal i t t l el o w e rt h a nt h ep r o g r e s sw i t h o u tp h a s ec h a n g e ；t h ei n f l u e n c eo ft h eg a se n t r a n c em a s sf l u xw a sa l s oc o n s i d e r e d ，t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e da st h ee n t r a n c em a s sf l u xb e c a m el a r g e r ，a n d哈尔滨工程大学硕士学位论文t h ep h a s ec h a n g eo ft h el i q u i do c c u r r e de a r l i e r k e yw o r d s ：m e t a lf u e ll i s f 6f i l mt h e o r yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n第1 章绪论1 。1 引言第1 章绪论能源是人类生存、经济发展、社会进步不可缺少的重要物质资源，人类进入工业化社会以来，所消耗的一次能源迄今仍主要靠化石能源，终端需求则主要是热和动力、交通发动机燃料和有机化工原料三大块【l 】。燃烧是人类获取能量最主要的方式，在世界能源的消耗总量中，燃烧提供了其中的绝大部分1 2 1 。随着人类社会及科学技术的迅猛发展，以及能源资源勘探开发和转换技术的进步，能源利用总量不断增长，能源结构也在不断变化，多种多样的能源形式以及更多更高性能的燃料越来越为人们所需要。金属燃料是近年来受到广泛关注的一类高性能燃料，其物理化学特性与普通的碳氢燃料相比有显著的优点，尤其是由某些碱金属或碱土金属和强氧化剂组成的燃料系统具有很高的能量密度，因为其非常明显的优越性而受到世界许多国家的高度重视。应用碱金属与氧化剂发生剧烈氧化反应在短时间内释放出大量热量的化学反应蓄热技术因其能量密度大等诸多优势正在逐步获得广大的应用空间1 3 j ；作为化学储能推进系统( s c e p s )热源的l i s f 6 液态金属燃料化学能源模式具有较高的反应热1 4 j ，没有气态产物产生，可以构成闭式循环，能够与不同的热机搭配从而为潜艇a i p ( 不依赖空气的推进系统) 提供热源【5 】，是一种在水下、水面和陆上推进系统中有着广阔的应用前景的新型能源，尤其是作为水下推进系统的能源具有其它动力系统无法比拟的优势；应用镁、铝、锂以及相关化合物或其合金【6 】与水发生反应放出大量氢气和热量的水反应金属燃料【7 j 可以显著提高燃料的比冲，具有高能量密度特性，是固体火箭发动机的4 倍以上【8 ，充分利用海水作为能源，显著提高燃料单位体积的能量密度【9 j ，是一种应用于水下高速武器推进的新型高能量密度燃料。金属在发生化学反应燃烧时，所释放出的热量比普通燃料大得多，采用高能量密度的金属作为燃烧剂与氧化剂进行反应的燃料系统可以作为高能燃料应用于很多领域。以高能金属燃料锂与六氟化硫反应为热源的闭式循环热动力系统已经在鱼雷推进系统中得到了广泛应用，铝水反应水下热推进系统也因其在能量以及经济性方面的优势得到了重视，因此对于高能液态金属燃料的研究具有现实意义。数值模拟是一种以计算机为主要手段的研究技术【lo j ，通过数值研究能够很有效地缩短试验周期，降低实验成本，因此可以通过数值模拟进行计算而不需要大量的试验来解决很多问题，为结构设计优化提哈尔滨工程大学硕士学位论文供一定的指导作用，在缺少实验数据的条件下，应用数值模拟的方法可以对实验难以测量的参数进行预估，可以节省研究费用，缩短研制周期，有利于提高系统的工作可靠性和经济性，因此应用数值模拟的方法对高能液态金属燃料的传质传能过程进行研究是一种行之有效的手段，液态金属燃料的传质传能过程涉及化学反应、相变、湍流、多相流动等复杂过程，通过数值模拟建立合理的数学模型，得到更接近真实反应的模拟结果，从而可以更好地指导实践。1 2 国内外研究进展高能量密度的金属作为燃料与氧化剂反应能够释放出大量能量，可以作为新的能源形式为不同环境下工作的设各提供动力。由于金属燃料所具有的能量密度高、反应物易存放、产物无排放可以构成闭式循环等优势，使得由其所构成的动力系统受到广泛关注，对于金属燃料燃烧作为热源的闭式循环动力系统，国内外进行了大量研究工作，取得了不少研究成果，其中以金属燃料锂和金属燃料铝最具有代表性，主要包括反应机理研究、实验研究以及数值模拟研究等。锂具有高的比热和电导率【l ，是非常活泼的碱金属元素，由于具有较高的能量密度被作为燃料，而s f 6 化学稳定性强，无毒，无腐蚀性【1 2 】，是理想的氧化剂，因此通常选用l i 和s f 6 分别作为化学储能推进系统( s c e p s ) 的燃料和氧化剂。潜艇在现代海战中发挥着重要的作用，推进系统则是鱼雷和无入水下航行器删)设计的关键部件。鱼雷热动力推进系统的基本原理是通过化学反应在瞬间产生大量的热，利用热能对涡轮机做功，把热能转换成机械能【l3 1 。化学储能推进系统的应用实现了鱼雷推进剂的闭式循环，而且满足了鱼雷对动力系统的高输出功率、短工作时间的要求，代表了热动力鱼雷推进剂的发展方向。除了上面提到的l i s f 6 热动力系统外，还发展了再热式l i s f 6 热动力系统、l i s f 6 热管反应器、l i s f 6 毛细式闭式循环动力系统以及a 1 s f 6 闭式循环系统。再热式l i s f 6 热动力系统同样使用l i s f 6 化学热源【1 4 1 ，不同之处在于它增加了一个回热装置，有助于提高系统的整体效率；l i s f 6 热管反应器的六氟化硫喷嘴位于锂液面以上，适用于长时间低功率场合，小流量下也不会被堵塞【i5 1 ，可为各种水下推进系统提供电力；l i s f 6 毛细式闭式循环动力系统在装置内壁增加毛细结构，燃烧反应在金属丝网和锂表面形成的区域内进行。其优势是能量密度高、体积小、技术难度相对较小、燃料贮存方便【l 酬，而缺点则是原材料价格高。2第1 章绪论除了已经提及的l i s f 6 闭式循环系统外，国外还研究了a 1 s f 6 闭式循环系统，进行了燃烧试验【1 7 】，对于铝液滴在s f 6 环境中的燃烧过程以及燃烧特性也进行了实验研究和数值模拟【1 8 】，研究结果表明a 1 s f 6 系统较l i s f 6 系统有更高的燃温和燃速。金属铝作为能源应用历史悠久【19 1 ，长时间以来研究人员都致力于将金属铝作为燃料的研究。铝作为金属燃料成本低、能量密度高、耗氧量低、无毒、燃烧产物污染小且存放稳定，在推进剂中添加铝粉能提高火箭发动机的比冲，并抑制某些频率噪声燃烧的不稳定性，因此铝被广泛应用于固体火箭发动机中。在很多燃烧以及爆炸系统中铝水反应是一个重要反应【2 们，由于能够释放大量热量以及无需携带氧化物等众多优势，因此一直是水下推进器研究中感兴趣的方向。除此之外，金属铝在炸药、核反应堆安全等领域也有广泛应用。早在上世纪六、七十年代就已经开始了对铝燃烧的研究，并一直持续至今，这些研究涵盖了金属铝燃料的点火、燃烧温度、燃烧时间、火焰结构、燃速、燃烧产物、不同氧化剂对燃烧的影响等领域。金属铝在工程实际中具有广泛的应用，因此研究金属燃料铝的燃烧行为具有实际意义，对于铝燃烧的研究一般分为实验研究以及数值模拟两方面，近年来主要集中在单颗粒燃烧特点的研究上，建立了单颗粒燃烧的模型。1 2 1 反应机理研究研究人员主要对铝水反应、铝氧气反应机理进行了较深入的研究，获得了比较全面的气相化学反应动力学数据。2 0 0 0 年e l d r e i z i n 等口1 】阱1 对单颗粒金属燃烧过程的实验研究进行了总结，包括铝、镁、铁、铜等金属，实验观察到在金属燃烧过程中有相变发生，应用金属气体平衡相图来解释实验中观察到的金属燃烧行为，扩展了金属燃烧的机理，研究表明铝颗粒的燃烧过程分为三个阶段，相变的发生可以引发铝燃烧过程中的温度跃变，以及铝燃烧过程中非对称火焰的形成。2 0 0 5 年m w b e c k s t e a d 等对于单个铝颗粒的燃烧进行了数值模拟 2 3 】，提出铝颗粒的燃烧同时受到气化、扩散以及动力学的控制，研究了包含有气化、表面反应( 多相反应) 以及气相反应的共1 5 个化学反应在内的组分生成以及消耗规律，给出化学反应动力学数据，在此基础上建立了铝颗粒燃烧的二维非稳态数学模型，对不同氧化剂( 0 2 、c 0 2 、h 2 0 ) 环境中的燃烧过程进行模拟，并将结果与实验数据进行了对比。结果表明燃烧过程由扩散控制，火焰区的位置以及厚度随氧化剂不同而发生变化，由于生成的氧化物在颗哈尔滨工程大学硕士学位论文粒表面沉积使得颗粒的速度发生震荡，同时还对压力的影响进行了研究，随着压力的增加火焰温度以及颗粒表面温度都会升高。2 0 1 0 年s t a n yg a l l i e r 等运用数值模拟的方法研究了一个直径1 0 0 微米的铝液滴在空气中的燃烧【2 4 】，模型仅考虑了气相反应，应用简化的a i 0 2 反应动力学研究，其中包括8 种组分以及1 0 个反应，应用这一简化的模型所得到的燃烧时间能够与实验中的燃烧时间数据很好的符合。同时还研究了铝的不稳定燃烧，结果表明对流的影响是导致不稳定铝燃烧的重要因素。这项研究可以作为一个改进的燃烧模型应用到c f d 求解中。研究的局限性在于并没有在实际的发动机条件下验证结果的可靠性，同时对于环境压力和温度的影响也没有考虑。反应机理研究主要针对金属铝的气相反应，取得了不少研究成果，但对表面反应( 多相反应) 未进行深入研究，缺少动力学数据，对于金属锂的相关反应机理未见文献深入研究，缺少相关动力学数据。1 2 2 实验研究1 2 2 1 国外研究进展对于l u s f 6 热源系统的研究始于上世纪六十年代的荷兰 7 】，七十年代研究人员发表了有关反应器结构、材料、控制等方面的专利，并提供了多组分在不互溶相中的热力学模型和热化学数据、l u s f 6 浸没燃烧的多流体湍动模型【2 5 1 ，2 0 世纪8 0 、9 0 年代美国开始制造和装备采用l i s f 6 浸没喷射兰金闭式循环汽轮机系统的m k 5 0 鱼雷【2 6 1 ，没有任何产物排放入海水中，热量的产生( 反应的控制) 由喷入氧化剂的量来决定。此后对于l u s f 6 热源系统的研究一直在不断进行。蒸汽充图1 1美国m k 5 0 鱼雷应用锂六氟化硫动力系统4第1 章绪论置_ 薯i 鼍l 薯宣薯i 皇_ _ _ _ 皇_ 鼍葺_ 勇_ i _ 置_ l | i 皇置l i s f 6 燃烧系统有液面下和液面上两种反应形式，液面下的形式称为浸没喷射燃烧，液面上的形式称为表面喷射。表面喷射反应器的喷嘴在液面以上，温度相对比较低，也不易堵塞，在设计流量范围内可以任意调节氧化剂( s t 6 ) 流量或中止反应并再启动，燃烧反应可以持续较长时间，但是反应产生的瞬时热量相对于浸没喷射来讲要小的多，更适合长时间低功率的场合( 例如u u v 或潜艇) 。浸没喷射这种反应形式会在瞬间产生大量的热，从而提供比较高的输出功率，是一种理想的鱼雷热动力系统热源。但因其喷嘴直接与高温的液态锂接触，温度过高，容易受到六氟化硫( s f 6 ) 和液态锂( l i ) 的腐蚀，反应中止时又易堵塞，因而导致再启动困难，故不适合在唧或者潜艇推进系统中使用。图1 2 表面喷射装置示意图图1 3 浸没喷射装置示意图作为化学储能推进系统热源的通常为浸没喷射反应。过去四十年中对于气液射流反应器的研究可以分为两类：实验流体力学研究( e f d ) 以及计算流体力学研究( c f d ) 。e f d的目的主要在于研究射流尺寸、温度变化以及产物分布；c f d 研究则主要致力于发展多种湍流模型对反应射流进行模拟。l i s f 6 化学储能推进系统的主要实验研究进展列于如下表格中。a v e r y 和f a c t h 2 7 1 的实验测量了反应区的尺寸以及反应区扩展速率，并且在射流中心线处进行温度的测量，结果表明高金属密度的射流会导致蒸汽相的出现，互不相容的液体通过与熔融钠混合可发生凝结和扩散。p a r n e l l 等 2 8 】的实验中利用x 光照相技术测量了反应区的尺寸、稳定性以及扩展速率，实验结果显示射流长度与熔融锂的浓度有关；随反应时间增加，锂液浓度降低；反哈尔滨工程大学硕士学位论文应产物相密度大，出现在反应器底部，使得反应区这一部分燃料浓度低且不发生反应。k y h s u 和l i d c h e n 2 9 的实验观测了点火及燃烧的过程，分为点火、火焰传播、稳定燃烧及熄火四个阶段，结果表明燃烧为多相过程，在反应流中有高浓度相产物生成，而且燃烧形成的放射光谱与锂原子电子态能级跃迁一致。表1 1l i s f 6 化学储能推进系统实验研究进展作a v e r y 和f a c t h 2 7 】p a r n e l l 等【2 3 】k y h s u 和者l d c h e n 2 9 1反应c 1 2 一熔融钠s f 6 一熔融锂s f 6 熔融锂系浸没喷射燃烧浸没喷射燃烧灯芯式燃烧统耐腐蚀铝合金真空燃烧室反直径= o 1 5 4 m ，矩形截面= 0 0 7 0 1 2 m ，燃烧室直径= 0 7 6 m ，应高= 1 2 2 m ，高= 0 3 2 m ，高= 0 9 1 m ，器喷嘴直径= 7 9 m m喷嘴直径= 2 m m ，体积= 0 4 3 m 3 ，尺熔融钠高度- - 0 4 4 m锂液温度- 1 0 0 0 。c圆柱形灯芯燃烧器直径寸= 3 2 r a m ，长= 8 0 m m测且热电偶里x 光照相技术x 光照相技术s e m 设备设热电偶扫描单色器备i c c d 摄像机对于金属燃料铝，在实验研究方面，1 9 9 6 年e d w a r d 对于铝颗粒在空气中的燃烧1 3 ，应用三波长高温计测量了燃烧粒子的温度，通过扫描电子显微镜对粒子的内部成分进行了研究，同时确定了粒子直径以及燃烧粒子周围烟云的尺寸和形状，还测试了外加电场对铝粒子燃烧的影响，结果表明外电场可以影响铝粒子燃烧的温度变化；f o o t e 等测定了a 1 h 2 0 的燃烧温度、辐射强度和燃烧产物的尺寸分布及组成1 3 1 l 。研究发现铝粉在0 2 a r ( 质量比为2 0 8 0 ) 混合气体中的燃烧温度为2 9 0 0 k ，而在水蒸气中为2 5 0 0 k 。根据实验测得的辐射强度和燃烧温度，在以0 2 a r 为氧化剂的条件下计算得到的峰值热损失率为9 5w c m3 而在以h 2 0 为氧化剂的条件下，计算得到的峰值热损失率则为4 8 w c m3 。1 9 9 9 年j c m e l c h e 研究了铝燃烧过程中颗粒直径随时间的变化过程1 32 l ，实验考查了压力以及氧气浓度对颗粒直径的影响，结果表明燃烧过程中颗粒表面的烟雾半径随压力变化很大，但受氧气浓度的影响很小，数据还表明颗粒直径的变化并不完全遵循第1 章绪论d 2 定律，指数的范围是1 6 5 0 5 5 ，燃烧速率常数随氧浓度的变化很小，而随压力变化呈线性增加趋势。2 0 0 5 年vs a r o u k a n i a n 等【3 3 1 应用空气动力悬浮技术、采用c 0 2 激光加热的方法对毫米尺寸铝液滴的燃烧特点特别是表面现象进行了研究。结果表明在气相反应过程中，氧气作为氧化剂较水更优，氮气对于气相反应并没有影响；在表面反应过程中，氮气在液滴表面发生反应形成a 1 n ，a 1 n 首先与氧化物层反应形成氮氧化物，之后完全覆盖液滴表面，最终使得燃烧终止。研究还表明氮气很可能是导致铝液滴不稳定燃烧的的主要成分。2 0 0 7 年g a r i s h a 实验研究了纳米铝颗粒与水反应燃烧的过程【3 4 | ，纳米铝水混合物的燃烧率由一个容积固定、操作条件可控的光学压力容器测定，实验在氩气环境中进行，实验结果表明纳米铝颗粒的燃烧率是压力、混合比例、颗粒公称尺寸以及颗粒氧化层厚度的函数。同年，t i mb a z y n 等用实验方法证明了铝颗粒的气相有限扩散燃烧在压力为8 5 a t m ，颗粒尺寸为1 0 _ o n 时发生【3 5 1 。实验结果表明微米及纳米颗粒的燃烧已经与蒸气相有限扩散不同，表面或近表面过程开始对燃烧速率产生影响。这一结果可以被引入燃烧模型以便准确的分析直径在1 0 g n 以下的铝颗粒的燃烧特点。2 0 1 0 年e e s c o tb o c a n e g r a 等对微米及纳米铝颗粒在不同浓度空气中燃烧的火焰传播速度进行了实验研究【3 6 】，结果表明纳米颗粒燃烧的火焰传播速度更大，同时还利用高分辨率分光计测量了可见光范围内的最高火焰温度，并在实验研究的基础上建立了一个颗粒三步燃烧模型，依据模型计算得到的火焰传播速度及最高温度均与实验相符，对颗粒的燃烧时间也进行了计算。1 2 2 2 国内研究进展我国从上世纪八十年代起开始研究金属燃料化学能源系统，实验研究方面主要以锅炉反应器为主体，开展了一系列的研究工作，主要内容包括：郑邯勇、b 建杰利用x光动态成像系统拍摄、分析了l i s f 6 反应场，测量了s f 6 在液态锂中的浸没喷射长度和宽度鲫；郑邯勇对锅炉反应器内流体的流动结构与温度分布进行了实验研究【3 8 1 ，提出了锅炉反应器工作过程的阶段划分方法；朱强分析了引起锅炉反应器喷嘴烧蚀的主要原因【3 9 1 ，对喷嘴材料进行了合理的的选取；王树峰、b 建杰、朱强分别结合试验研究情况，对锅炉反应器快速启动温度、输出过热蒸汽的温度和压力、锅炉反应器入口水工质温度等参数进行了分析、计算【4 0 1 ，以及快速启动技术中点火药的配方【4 l 】、药剂用量、装填方式【4 2 】等方面的探讨研究，赵昌利等还对闭式循环蒸汽发生器螺旋管内汽液两相流动压哈尔滨工程大学硕士学位论文暑皇暑一i i 宣置_ 宣力波动特性进行了试验研究和分析h 3 】；黄庆等还对液态锂在不锈钢丝网上的毛细作用进行了试验【删，得出了液态锂在丝网上产生毛细现象的温度条件以及变化规律，为水下无人航行器热动力系统中毛细结构的设计提供了依据。1 2 3 数值模拟研究1 2 3 1 国外研究进展l i s f 6 化学储能推进系统的数值模拟研究进展列于如下表格中。表1 2l i s f 6 化学储能推进系统数值模拟研究进展作c h a n 等【4 5 】c h a n 和d a h i k a rl d c h e n 和s a g a r s g u l a w a n i者a b o u - e l l a i le 4 6 等【4 7 】r c d a m a s o 4 8 】等【4 9 】反( 1 ) s f 6 熔融锂应s f 6 一熔融锂s f 6 - 熔融锂系浸没喷射燃浸没喷射燃烧浸没喷射燃s f 6 熔融锂s f 6 熔融锂烧( 2 ) p a m e l 的实烧灯芯式燃烧浸没喷射燃烧统验数据反( 1 ) 矩形反应器矩形反应器应= 0 0 7 x 0 1 2 m长宽高a v e r y 和= 0 3 2 x0 0 7f a c t h 2 0 1 反应器器x 0 1 2l h f欧拉一拉格朗欧拉拉格朗日数m f m日模型模型值k 一占一g 模k s 模型k 一占一g 模型k 一模型c f x 1 0 软件模模型截尾高斯p d fc f x - 1 0 软件拟f 四面体网拟截尾高斯网格4 0 x 6 0 0模拟( 四边形格，喷嘴处细p d f网格1化)由于缺少实局验数据进行研究未考虑辐射限对比，模型的换热的影响性合理性验证并未进行c h a n 等【4 5 1 应用均质流模型模拟结果表明反应在距离喷射器很短的距离内完成，但射流深度更大，同时还模拟了锂局部低温对于流动结构的影响。c h a l l 和a b o u e l l a i l 4 6 】应用多流体模型进行数值模拟，并与l h f 模型所得结果进行对比，m f m 模型结果表明射流深度为喷嘴直径的5 5 倍，而l h f 模型为6 倍，前者与实验数据更一致。第1 章绪论d a h i k a r 等1 4 7 1 贝1 j 主要研究了喷嘴直径及布置方式、射流气体速度、熔融锂温度对于喷射尺寸的影响，结果表明喷嘴水平放置对于反应更有利，而且可以得到稳定的射流长度。l d c h e n 和r c d a m a s o 4 8 】建立了灯芯式燃烧的数学模型，研究了几何尺寸以及环境条件对燃烧速率和传热的影响，结果表明雷诺数是影响强制对流燃烧的重要参数，气流速度增加使得总燃烧速率也增加；模拟结果还显示出圆柱形几何形状比平板更能强化燃烧。s a g a rs g u l a w a n i 掣4 9 1 认为反应过程由扩散控制，传质系数与湍动能及湍流扩散率有关。对浸没喷射的流型及射流尺寸、速度、温度进行了计算，结果与实验数据高度符合，将中心轴线上的温度以及速度与l h f 和m f m 模型进行了对比，结果与m f m 模型接近，而l h f 模型对于速度和温度的计算有较大误差。对于金属燃料铝，在数值模拟研究方面，19 9 8 年p b u c h e r 等应用p l i f 方法对一个大气压下单个孤立铝颗粒在纯净的c 0 2 、n 2 0 以及0 2 、n 2 、心混合气体中燃烧的火焰结构进行了探测【5 0 1 ，同时为辅助说明实验结果，还建立了铝颗粒燃烧的扩散控制局部平衡模型。结果表明在研究的所有燃烧环境中a i o 为气相的中间产物，并且氮气是很重要的反应物。研究的局限性在于局部平衡假设不能对点火、熄火、向有限动力燃烧模型过渡等过程进行研究，表面反应、凝聚、氧化物颗粒以及铝颗粒表面的辐射热传递等数据在文献中并未提及。2 0 0 1 年f j c h e m e 等采用计算的方法研究液态金属的输运性质【5 ，以液态金属铝为研究对象，应用m d ( 分子动力学) 方法计算了液态铝的粘度系数和扩散系数，同时选取e a m ( 嵌入原子) 方法来描述液态金属中原子间的相互作用，并与文献中的实验结果进行对比，计算的结果表明，采用计算的方法来获得液态金属的输运性质是合理并且可信的。2 0 0 4 年r o d o l p h e 等对耦合有辐射传热及湍流流动的含铝固体火箭发动机多相流场进行了数值模拟【5 2 】，用拉格朗日方法以及湍流分散模型对浓度、温度分布进行了计算。2 0 0 9 年w a h a b 等对固体火箭发动机多相流场进行了数值模拟【53 1 ，铝颗粒直径应用r o s i n r a m m l e r 直径分布，采用欧拉拉格朗日方法以及湍流模型对含有铝液滴燃烧生成氧化物过程的多相流场进行了数值模拟，研究了多相流对于火箭发动机性能的影响。1 2 3 2 国内研究进展在数值计算方面，1 9 9 7 年z h a n g w e i 等基于相关实验数据以及轻金属的燃烧机理，对于铝颗粒燃烧的特点进行了数值研究【5 4 】，采用金属燃烧的扩散燃烧模型以及两相产物9哈尔滨工程大学硕士学位论文成核机理，计算得出了燃烧产物的粒子平均尺寸，同时还得出了燃烧区域的分布特点。此外还对环境因素的影响进行了研究，结果表明环境温度并不会对金属表面以及火焰区温度产生影响，而环境压力越高金属表面及火焰温度也随之增加，压力对于燃烧产物尺寸的影响要远大于环境温度。研究的局限性在于假设燃烧过程只用一个化学反应描述，并且为气相反应，简化了铝燃烧的反应机理。由于浸没喷射是l i s f 6 锅炉反应器的主要反应形式，为正确理解锅炉反应器的稳态工况特性，并且为l i s f 6 气液浸没湍流计算奠定基础，张文群、张振山应用吉布斯自由能最小法【5 5 j 对燃烧反应的相平衡进行了计算，给出了气、液、固三相共存的复杂平衡计算结果；同时，朱强对于l i s f 6 热动力系统的反应物及生成物的热力学性质，包括比热、相对焓、绝对熵与温度的关系也进行了计算 5 6 】；在1 9 9 6 年就已经建立了l i s f 6 气液两相浸没喷射湍流混合放热化学反应的数学模型，采用s i m p l e 方法进行求解【3 7 1 ，结果表明模型预测的数据与试验数据一致，但不足之处在于受试验数据的限制，部分计算结果没有可进行对比的试验数据，只能定性的分析变化趋势；1 9 9 9 年李侃侃等采用局部均质流假设对l i s f 6 燃烧体系进行了研究【5 7 1 ，取混合分数为体系唯一状态参变量，计算了绝热燃烧温度及主要物性随混合分数的变化，方法简洁，研究的结果和方法可直接用于l i s f 6 浸没喷射燃烧计算；针对之前模型的不足，2 0 0 2 年张会强等又采用双流体模型模拟了l i s f 6 气液浸没燃烧过程【5 8 】，考虑了两相滑移速度，采用k s 模型及k s g 模型分别描述作为单一连续相存在的气相区与液相区的湍流流动过程和气液共存的两相湍流流动过程，同时采用多点万p d f 模型模拟湍流燃烧，得到了能够反映两相之间滑移速度影响的合理结果，模型更为合理、完善。表面喷射反应( 主要为熔池内l i s f 6 缓慢燃烧) 也是一种反应形式，能够释放能量，同时也容易对反应进行控制，哈尔滨工程大学对于这一反应体系进行了大量研究工作。2 0 0 7 年张立超对s f 6 喷入存有液态金属燃料锂的密闭反应容器中，在液面交界处发生缓慢燃烧反应的过程进行了数值模拟【3 】，建立了数学物理模型，采用层流有限化学反应模型，对反应流动进行了数值模拟；2 0 0 8 年邱海慧在此基础上应用涡团耗散概念( e d c )模型模拟燃烧反应【5 9 1 ，得到了反应器内部燃烧流场的分布；2 0 0 9 年卢鑫采用涡耗散( e d m ) 模型对燃烧反应流动规律进行，并应用欧拉颗粒模型模拟了生成物的沉降过程【6 0 】；2 0 1 0 年张哲衡应用涡耗散( e d m ) 模型模拟燃烧过程，标准k 一占模型模拟多相流，欧拉颗粒模型模拟固体产物的生成【6 1 | ，得到了反应器内部温度分布、燃烧流场的基本情况以及生成物的沉降过程。熔池内l i s f 6 缓慢燃烧是一种完全可以控制的反应形式，对于这种反应形式的研究正在逐步深入，已经取得了不少成果，但是还存在一些局限性，1 0第1 苹绪论对于同时存在有气、液、固三相的反应流动的数值模拟并不完善，忽略相变以及反应过程中间产物对温度场的影响，没有准确的化学反应动力学数据来描述化学反应，反应的相变潜热释放过程也没有得到很好的模拟，还有待于进一步研究。1 3 本文的主要研究内容高能量密度的金属燃料与氧化剂反应能够释放出大量能量，可以作为新的能源形式为不同环境下工作的设备提供动力。由于金属燃料所具有的能量密度高、反应物易存放、产物无排放可以构成闭式循环等优势，使得由其所构成的动力系统受到广泛关注，尤其是l i s f 6 液态金属燃料化学能源模式，无论是在高温化学蓄热技术，还是在水下、水面和陆上推进系统中都有着广阔的应用前景，因此对于这一类液态金属燃料作为能源的闭式循环热动力系统进行研究在很多领域内都具有现实意义。l i s f 6 表面喷射闭式循环反应器内气液传质过程，由于同时存在两相化学反应( 六氟化硫气体和液态锂) 、气相化学反应( 六氟化硫气体和气态锂) 、热量传递、相变( 液态锂气化形成气态锂) 、固体生成物( 氟化锂、硫化锂) 沉积等过程，使得问题变得非常复杂，如果对于以上过程全部进行详细、完全地数值模拟，难度很大，而且依靠现有的计算流体力学软件也很难对全部过程进行模拟，因此，需要对所研究的问题进行适当的简化，根据研究的侧重不同，仅对重点关注的问题进行计算。本论文将研究的重点放在气液传质过程中两相化学反应的热量释放以及随温度升高过程出现的相变问题，着重对反应器内部温度分布、液态锂气化形成气态锂的过程进行计算和分析，以便为后续的深入研究提供更有价值的结论和方向。进行的主要工作有：1 、基于经典的w h i t e m a n 膜理论的基本假设建立反应器内部气液传质模型，应用物料衡算法的基本思想求解气液传质系数，确定扩散控制的气液反应速率。2 、根据研究的重点对反应器内的传热传质过程进行合理适当地简化，包括物理模型的简化以及数学问题的简化，将反应器结构简化为二维轴对称结构，考虑二维轴对称流动情况，并假设过程中流体的物性参数不随传热、传质发生变化；在合理的简化假设基础上建立描述反应器内气液传质、传热过程的数学模型，包括基本方程( 动量守恒方程、组分质量守恒方程、能量守恒方程) 、相变过程以及反应界面的变化过程，将相变过程看做化学反应过程，化学反应的速率定义为相变的速率即气化速率，应用移动网格描述反应界面( 液面) 的变化过程，并给定流动、组分浓度、热量以及相变的边界条件和哈尔滨工程大学硕士学位论文初始条件；在数学模型的基础上划分网格，应用有限单元法对各控制方程、边界条件以及初始条件进行离散求解。3 、对不考虑相变情况的气液传热传质过程进行求解，得到反应器内温度分布、组分浓度分布、反应速率以及液面的变化过程。4 、在之前计算的基础上考虑相变过程，求解得到由液体燃料蒸发形成的气体浓度分布、反应器内温度分布，并分析相变过程对反应器内液体温度的影响。5 、在以上计算的基础上改变六氟化硫气体的入口质量流量，分别计算得到不同入口质量流量时反应器内部温度分布、组分浓度、反应速率以及液体燃料蒸发形成的气体浓度分布，分析得到气体入口质量流量对液体消耗速率、液面温度、相变过程的影响。1 2第2 章反应器内燃烧过程的数学物理模型第2 章反应器内燃烧过程的数学物理模型2 1 物理模型的描述及简化依据熔池内l i s f 6 缓慢燃烧可行性的实验研究【6 2 】，在实验开始之前，首先在常温状态下将固态的金属锂放入注锂系统的熔锂罐内，抽真空后熔化，利用压力将其注入到熔池反应器内。实验开始后从反应器的中间向内喷入六氟化硫气体，气体与反应器内部的液态锂接触后发生化学反应。因此，对于l i s f 6 闭式循环反应器内气液传质燃烧过程，在初始状态时，反应器底部充满高温的液态锂，其余部分充满惰性气体氩气，使反应器内达到一个标准大气压的参考压力，同时也可以避免液态锂和空气中的氧气、氮气发生反应；反应开始时六氟化硫通过反应器顶端的喷嘴喷入反应器中，到达锂液面上方与锂液接触后发生化学反应。简化后的物理模型如下图所示。瓯图2 1l i s f 6 表面喷射反应器简化物理模型主要包括以下几个过程：( 1 ) 六氟化硫与锂液接触后发生两相化学反应：( 2 ) 两相化学反应释放热量，并且热量在反应器内传递，最终由壁面传递至外界；( 3 ) 由于反应释放热量对锂液进行加热，使得锂液气化，发生相变；( 4 ) 相变后形成的锂蒸气在锂液上方也参与化学反应，与六氟化硫气体接触发生气相化学反应；( 5 ) 反应生成的密度较大的固体产物在反应器底部沉积。哈尔滨工程大学硕士学位论文基于以上描述，对于l i s f 6 表面喷射闭式循环反应器内气液传质过程，由于同时存在两相化学反应( 六氟化硫气体和液态锂) 、气相化学反应( 六氟化硫气体和气态锂) 、热量传递、相变( 液态锂气化形成气态锂) 、固体生成物( 氟化锂、硫化锂) 沉积等过程，使得问题变得非常复杂，如果对于以上过程全部进行详细、完全地数值模拟，难度将会非常大，而且依靠现有的计算流体力学软件也很难对全部过程进行模拟，因此，需要对所研究的问题进行适当的简化，根据研究的