鋰?yán)浜娇蘸藙?dòng)力系統(tǒng)傳熱與推進(jìn)特性研究

1、鋰?yán)浜娇蘸藙?dòng)力系統(tǒng)傳熱與推進(jìn)特性研究航空核動(dòng)力系統(tǒng)具有大載重量、無限續(xù)航的優(yōu)點(diǎn),開發(fā)高效傳熱、大推重比的航空核動(dòng)力系統(tǒng),是未來推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。目前熱傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)多為開式循環(huán),空氣直接與堆芯換熱,雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單卻增加了核燃料泄漏風(fēng)險(xiǎn)。航空核動(dòng)力系統(tǒng)為高空飛行系統(tǒng),受重量、體積的限制較為明顯,反應(yīng)堆與發(fā)動(dòng)機(jī)耦合傳熱是其中重要瓶頸之一。反應(yīng)堆熱量輸出過程中,需通過高效傳熱方式以減小反應(yīng)堆體積,實(shí)現(xiàn)核動(dòng)力系統(tǒng)的小型化,動(dòng)力驅(qū)動(dòng)型鋰熱管的相變傳熱是實(shí)現(xiàn)堆芯高效耦合傳熱的有效手段;同時(shí),現(xiàn)有核熱換熱器體積龐大,需探討新型換熱器結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)核動(dòng)力系統(tǒng)換熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化耦合。本文圍繞核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)

2、堆與發(fā)動(dòng)機(jī)高效耦合傳熱的關(guān)鍵科學(xué)問題開展系統(tǒng)性研究,針對(duì)某款馬赫數(shù)Mal的小型航空渦噴發(fā)動(dòng)機(jī),設(shè)計(jì)了基于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)熱管和閉式循環(huán)的新型航空核動(dòng)力系統(tǒng),利用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)熱管的鋰通道,以相變傳熱的方式將熱量帶出堆芯,傳遞至核熱換熱器內(nèi)部;所設(shè)計(jì)的核熱換熱器為多環(huán)結(jié)構(gòu)并可放置于原燃燒室環(huán)形空間內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)空氣與熱源的充分換熱,最終產(chǎn)生推力。文中探索了該新型核動(dòng)力系統(tǒng)的可行性并進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)性評(píng)價(jià)主要的研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:(1)基于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)熱管和閉式循環(huán)的新型航空核動(dòng)力系統(tǒng),開展傳熱與推進(jìn)方案設(shè)計(jì)及適應(yīng)性研究。以動(dòng)力驅(qū)動(dòng)熱管的熱傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),對(duì)新型推進(jìn)系統(tǒng)的熱傳輸方案、多環(huán)核熱換熱器特性、相變通道

3、與堆芯和核熱換熱器的耦合傳熱進(jìn)行詳細(xì)分析,結(jié)果表明:采用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)熱管的熱傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆及核熱換熱器的靈活布置,可充分利用飛行裝置內(nèi)有限的空間,達(dá)到反應(yīng)堆熱量高效傳輸?shù)哪康?有效實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高效耦合傳熱,這對(duì)熱傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要意義。開展以鋰為工質(zhì)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)熱管通道內(nèi)相變傳熱的機(jī)理研究,探索相變通道在航空環(huán)境的可行性。分析相變通道在航空重力環(huán)境下的瞬態(tài)傳熱特性、劇烈沸騰階段氣泡生長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響、相變通道與堆芯及核熱換熱器的耦合傳熱特性,結(jié)果表明:動(dòng)力驅(qū)動(dòng)熱管的相變特性在航空重力條件下,具有很好的環(huán)境適應(yīng)性;堆內(nèi)相變傳熱時(shí),蒸氣主要聚集于絕熱段,氣液攪混態(tài)不會(huì)一直在通道

4、內(nèi)維持,確保了堆芯傳熱的均勻性;相變通道與堆芯、核熱換熱器的耦合傳熱分析表明:堆芯溫度分布均勻,最熱區(qū)位于側(cè)壁處;蒸氣在核熱換熱器內(nèi)冷凝換熱,在底部匯集為液體;最終堆芯熱量被有效帶出,熱傳輸系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。(3)開展多環(huán)核熱換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與推進(jìn)特性分析。建立多環(huán)核熱換熱器傳熱與推進(jìn)特性的數(shù)值模型,開展自主編程的推進(jìn)性能優(yōu)化程序的方案適應(yīng)性研究,利用多種分析手段對(duì)多環(huán)核熱換熱器內(nèi)流動(dòng)與高效傳熱特性進(jìn)行分析,得到最優(yōu)多環(huán)結(jié)構(gòu);開展推進(jìn)及傳熱特性的敏感性分析,獲得傳熱及推進(jìn)特性與外界控制變量之間的增量關(guān)系及敏感度關(guān)系對(duì)性能提升的影響,分析結(jié)果表明:在對(duì)流換熱系數(shù)與推力歸一化均值交點(diǎn)附近存在最優(yōu)結(jié)構(gòu),使得核熱換熱器利用原有燃燒室空間達(dá)到與常規(guī)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)同等的推進(jìn)性能;推力對(duì)控制變量變化的敏感程度更高,進(jìn)氣量的增加對(duì)系統(tǒng)性能的提升更有利。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為:(1)提出基于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)熱管和閉式循環(huán)的新型航空核動(dòng)力系統(tǒng),并針對(duì)超高溫液態(tài)金屬鋰,開展航空環(huán)境下,傳熱通道內(nèi)的高效相變傳熱的機(jī)理分析。提出一種新型高效的多環(huán)核熱換熱器,實(shí)現(xiàn)燃燒室內(nèi)強(qiáng)化傳熱。并利用數(shù)值分析方法得到核熱換熱器最優(yōu)結(jié)構(gòu),有效提升推進(jìn)性能,使得核熱換熱器利用原有燃燒室空間,達(dá)到與常規(guī)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)同等的推進(jìn)性能。采用自主編程的推進(jìn)性能優(yōu)化程序,開展推進(jìn)及傳熱特性的敏感性分析,得到各控制變量之間的敏感度影響,為核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)