铝水发动机——燃料电池混合动力系统的建模方法与性能评价研究

The aluminum water engine-fuel cell hybrid propulsion system is a promising candidate for future underwater propulsion. The unique principal of the aluminum water engine, along with the complexity of the hybrid system, proposes great challenges in system modeling and simulation. Up to date, relevant research is still scarce, thereby limiting system design and performance optimization. As such, the current project will focus on system modeling and performance evaluation of the hybrid propulsion system. First, by performing the thermodynamic analysis of aluminum water engine and fuel cell, we try to understand the mass and energy matching method of the hybrid system. Then, using the object-oriented modeling method, we will develop the system model based on the thermodynamics, electrochemistry and etc. Through numerical simulation, we will unveil the rules of energy generation, transfer and utilization in the system. After that, we will conduct steam turbine experiments to investigate the impacts of actual losses on its performance. In addition, we will be able to understand the flow field in the steam turbine from the experiments. The model developed previously will also be corrected by the experiment results. Finally, we will propose the performance index for underwater propulsion system and investigate the influence of system parameters on the performance index. In sum, the expected outcomes of the project improve our understanding of the new hybrid propulsion system, thereby facilitating the development of Chinese underwater weapon technology.

铝水发动机-燃料电池混合动力系统是水下能源动力技术的重要发展方向。铝水发动机的特殊原理以及混合动力系统的复杂性决定了其热力过程复杂多变，我国针对该系统的建模仿真与实验基础研究仍属空白，这从根本上制约了系统总体设计和性能优化。本课题针对该系统开展建模仿真和实验研究，具体内容包括：研究铝水发动机和燃料电池的质量、能量输入输出特性、匹配关系及其对系统能量综合利用的影响规律；基于面向对象的建模思想，综合应用热力学、燃烧学等理论，建立系统数学模型，通过数值模拟揭示其能量生成、转化、利用的本质规律；开展特种汽轮机性能实验，研究其内流动特性及各种实际损失对效率的影响，并根据实验结果修正模型；提出符合水下动力系统特点的性能评价指标和计算方法，结合水下航行器的典型工况，研究系统性能指标的变化规律及其影响因素。上述工作对促进新型水下能源动力系统的基础研究，支持我国水中兵器技术的发展，均有十分重要的意义。

摘要：铝水发动机-燃料电池混合动力系统是水下能源动力技术的重要发展方向。目前，水中兵器普遍采用OTTO-II燃料和锂电池能量密度较低且提升空间有限，极大地限制了其航程的增加，是困扰水中兵器未来发展的重大技术瓶颈。而本项目研究的新型水下能源动力系统采用应铝基水反应金属燃料，其能量密度是OTTO-II燃料的十倍以上，可使水中兵器的航程成倍增长。本项目的主要研究工作归纳为以下三个方面：1）系统热力特性研究和热力循环模型：分析系统热力循环特性，绘制系统循环T-S图；建立了系统热力循环计算模型，提出了模型求解计算方法，获得了系统关键节点工质的热力参数，掌握了系统各单元之间的质量输送及能量转换规律；研究系统工作参数、单元设备性能对系统整体性能评价指标的影响规律，在此基础上完善系统构型、优化工作参数；2）壳体冷凝器数值模拟和实验研究：建立了壳体冷凝器内部蒸汽流动凝结过程的物理模型，设计了实验装置并搭建了蒸汽冷凝实验系统。针对复杂约束条件下壳体冷凝器单通道和壳体冷凝器整机，对其流动换热特性进行了深入的理论分析、一维仿真、三维数值模拟和实验研究，分析了各因素对蒸汽流动换热特性的影响并利用实验数据验证并修正了相关计算模型；3）特种汽轮机数值模拟及实验研究：确定了汽轮机的主要气动参数和几何参数，在一元设计的基础上，对汽轮机三维通流结构进行了设计，给出了汽轮机喷嘴、动叶叶栅的三维几何参数，并进行了三维流动数值模拟研究，对四种叶片型线进行了对比计算，研究了通道收敛特征对叶片气动性能的影响，基于流动相似准则，完成了喷嘴、动叶叶栅模化，设计并加工完成了喷嘴、动叶叶栅实验件，完成了喷嘴、动叶叶栅流场静态吹风实验，喷管的总压恢复系数为0.9662，总压损失系数为0.0364，喷管具有较好的气动性能。通过本项目的研究，初步建立新型水下能源动力系统的理论体系，有力支撑了高性能水中兵器的研制，为实现我国水中兵器装备的跨越式发展奠定了基础。