排氫燃燒系統(tǒng)點火粒子兩相流特性研究

趙忠明，趙立喬，許學(xué)雷，王 玨，沈福東

排氫燃燒系統(tǒng)點火粒子兩相流特性研究

趙忠明1，趙立喬1，許學(xué)雷1，王 玨2，沈福東1

（1. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076；2. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

排氫燃燒系統(tǒng)是新一代運(yùn)載火箭發(fā)射的關(guān)鍵設(shè)備，氫氧發(fā)動機(jī)排放的低溫氫氣需要進(jìn)行有效處理，否則會產(chǎn)生爆燃或爆轟，從而影響火箭發(fā)射的成敗。排氫燃燒系統(tǒng)采用高溫金屬粒子點火方法，高溫金屬粒子的流動特性決定了排氫燃燒效果。為獲得點火粒子的運(yùn)動特性，采用顆粒軌道模型對點火粒子-高溫燃?xì)鈨上嗔鲃舆M(jìn)行數(shù)值模擬，獲得不同粒徑顆粒的溫度空間分布及其變化規(guī)律。

運(yùn)載火箭；粒軌道模型；排氫燃燒系統(tǒng)；仿真研究

0 引 言

大推力無毒、無污染的氫氧型運(yùn)載火箭成為各國火箭發(fā)展的趨勢[1,2]。隨著人類的航天活動不斷向太空深處延伸，運(yùn)載火箭等的運(yùn)載能力不斷提高，氫氧火箭發(fā)動機(jī)發(fā)展迅速，推力不斷增大[3,4]。使用氫氧燃料推進(jìn)劑的火箭發(fā)動機(jī)，由于發(fā)動機(jī)泵及其輸送系統(tǒng)熱容量大，啟動前必須對其進(jìn)行充分預(yù)冷[5]。采用氫氧發(fā)動機(jī)的運(yùn)載火箭在點火起飛時，會向發(fā)射平臺周圍環(huán)境排放大量的低溫氫氣。伴隨著氫氧發(fā)動機(jī)的推力、體積及系統(tǒng)熱容量的增大，預(yù)冷需要排放的冷氫也隨之大大增加。

發(fā)動機(jī)排放的低溫氫氣需要進(jìn)行快速有效處理[6,7]，否則會產(chǎn)生爆燃或爆轟，從而影響火箭發(fā)射的成敗。文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9]介紹了一種快速處理大流量低溫氫氣的系統(tǒng)及方法，采用高溫金屬粒子點火的方法，高溫金屬粒子的流動特性決定排氫燃燒效果。高溫金屬粒子燃?xì)馍淞髦饕w粒和燃?xì)獾膬上嗔鲃印橛嬎惴治鋈細(xì)馍淞髦械膬上嗔鲃?，需對粒子的特性，包括粒子的物理特性、尺寸分布、形狀特征以及與燃?xì)庀嘀g的相互作用進(jìn)行分析；對高溫顆粒相與氣相之間的傳熱，涉及流動、多相、傳熱、擴(kuò)散和燃燒的復(fù)雜過程[10,11]，但目前中國未見與氫氣燃燒研究相結(jié)合的報道。為獲得點火粒子的運(yùn)動特性，采用顆粒軌道模型對點火粒子-高溫燃?xì)鈨上嗔鬟M(jìn)行了數(shù)值模擬，指導(dǎo)氫氣燃燒系統(tǒng)的設(shè)計與試驗，提高了研究效率。

1 理論計算公式

高溫粒子射流是氣-固兩相含化學(xué)反應(yīng)的多組分湍流流動，燃?xì)饨M分和反應(yīng)物比較復(fù)雜，給數(shù)值計算帶來困難，為此進(jìn)行簡化假設(shè)。由于關(guān)注的是點火發(fā)動機(jī)處于穩(wěn)定工作時的燃?xì)馍淞髁鲃忧闆r，因此假定不計射流中的化學(xué)反應(yīng)、射流是超聲速的、氣體的可壓縮性不可忽略、認(rèn)為燃?xì)庀嗟牧鲃邮菃我患儦庀嗟目蓧憾ǔＡ鲃印楸ＷC迭代計算的收斂性并獲得足夠燃?xì)庾饔脜^(qū)域內(nèi)的流場信息，把計算域在噴管徑向的距離設(shè)置為噴管出口尺寸的5～10倍，噴管下游軸向距離大于20倍的噴管出口尺寸。

考慮顆粒的多相流動，采用基于拉格朗日的顆粒軌道模型的方法[12,13]，通過Fluent方程來跟蹤顆粒的位置、質(zhì)量、動量和動能。

顆粒軌道模型采用以下基本假設(shè)：

a）假設(shè)顆粒為與流體有滑移的離散群，即kii

vv≠

（動力學(xué)不平衡），kTT≠（能量不平衡）；

b）確定軌道模型，不考慮顆粒的湍流擴(kuò)散、黏性和導(dǎo)熱；

c）顆粒按尺寸分組，各組只有自身的質(zhì)量變化，互不相干，相同尺寸組的顆粒在尺寸不斷減小的過程中，任何時刻都具有相同的速度和溫度；

d）各組顆粒由一定的初始位置出發(fā)沿各自的軌道運(yùn)動，互不相干，沿軌道可追蹤顆粒的質(zhì)量、溫度及速度的變化；

e）顆粒作用于流體的質(zhì)量、動量及能量源或匯按均勻散布在流體單元內(nèi)來考察。

按以上基本假設(shè)，忽略顆粒相自身各變量的脈動、流體相的密度脈動及變質(zhì)量源脈動，則可確定軌道模型的湍流兩相流基本守恒方程組。

流體相連續(xù)方程：

k組顆粒相連續(xù)方程：

流體相動量方程：

k組顆粒相的動量方程：

流體相能量方程：

k組顆粒相能量方程：

流體相組分方程：

式中 Sk為單位體積中體平均的物質(zhì)源；t為時間；P為靜壓；μe為動力粘性系數(shù)；gi為重力加速度的分量；vj為氣流速度的各個分量；ρ為密度；T為溫度；v為速度；qr為流體輻射熱；ωs為流體相中s組分反應(yīng)率；ωsQs為流體相單位體積中的反應(yīng)放熱；Qrk為顆粒輻射熱；Qk為顆粒與流體間的對流傳熱；Qh為顆粒表面熱效應(yīng)；cpTS，cpTSk分別為單位體積中流體相與顆粒相因變質(zhì)量所造成的能量源，其中，cp為比熱容；nk，mk分別為k種顆粒的數(shù)密度和每個顆粒的質(zhì)量；FMi為Magnus力；τrk為顆粒相的擴(kuò)散弛豫時間；Ys為組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；αs為系數(shù)；σY為應(yīng)力張量。

2 計算過程

為獲得顆粒相與氣相的耦合作用，先計算氣相初場，根據(jù)氣相結(jié)果計算氣相對粒子的作用力和積分粒子的運(yùn)動軌跡，然后計算粒子對氣相的作用源項，再重新計算粒子作用的氣相流場和積分粒子軌跡，如此反復(fù)，直到兩相流場達(dá)到穩(wěn)定。在燃?xì)馍淞鳉夤虄上嗔鲌瞿M中，采用的輸入條件為：a）噴管進(jìn)口給定氣體的總壓、總溫；b）初始顆粒的粒徑、顆粒初始速度、顆粒溫度和顆粒質(zhì)量載荷。選取顆粒粒徑分別為1 μm、5 μm、10 μm、20 μm和50 μm，初始速度和溫度與氣相一致。出口邊界條件為：燃?xì)饬魍膺吔缭O(shè)為壓力出口，因其區(qū)域遠(yuǎn)大于燃?xì)饬鞯挠绊憛^(qū)域，壓力為0.101 MPa、溫度為300 K；c）固壁處氣相為絕熱，無滑移固壁邊界條件，顆粒為彈性碰撞邊界條件。

3 計算結(jié)果

3.1 計算域的限定

點火發(fā)動機(jī)兩相流計算域高溫區(qū)覆蓋范圍如圖1所示。

由圖1可知，計算區(qū)域為經(jīng)過點火發(fā)動機(jī)軸線的矩形截面，點火發(fā)動機(jī)噴管軸線出口為x軸，長度為7 m。圓形截面平行于zoy平面，其x軸方向上的坐標(biāo)為x=2.2 m，正好經(jīng)過導(dǎo)流槽截面的中線；在噴管出口至少5 m范圍內(nèi)燃?xì)馍淞鞅３州^高溫度，即燃?xì)馍淞鞯母邷貐^(qū)能夠覆蓋到泄漏氫氣的范圍。

圖1 點火發(fā)動機(jī)兩相流計算域高溫區(qū)覆蓋范圍

3.2 燃?xì)庾杂缮淞鲉蜗嗄M

經(jīng)過仿真計算，發(fā)動機(jī)噴管出口平均壓強(qiáng)為0.08 MPa，為過膨脹射流，其噴管附近的溫度及馬赫數(shù)的分布如圖2、圖3所示。

圖2 噴管出口附近溫度云圖

從圖2中可以看出，存在從噴管出口邊緣向后延伸而后相交于軸線的波系結(jié)構(gòu)，此時射流波節(jié)的形狀呈“X”狀，發(fā)動機(jī)噴管出口平均溫度為931.7 K，平均馬赫數(shù)為3.506，為超聲速流動。

圖3 噴管出口附近馬赫數(shù)云圖

從圖3中可以看出，射流的近場核心區(qū)存在無粘波系結(jié)構(gòu)，核心區(qū)的外面存在沿射流方向的燃?xì)?空氣混合邊界層。當(dāng)燃?xì)庠趪姽艹隹谔幗?jīng)膨脹后壓力降至低于周圍環(huán)境壓力的值時，在自由邊界上產(chǎn)生截斷起始膨脹波的攔截激波，在攔截激波后，燃?xì)獗粔嚎s至欠膨脹狀態(tài)，并重復(fù)上述膨脹壓縮過程。

燃?xì)鉁囟妊剌S線變化情況過程如圖4所示。

圖4 燃?xì)鉁囟妊剌S線變化

從圖4中可以看出，發(fā)動機(jī)正常工作情況下，燃?xì)鉁囟妊剌S線從噴管入口到噴管出口外一定距離呈下降趨勢，而后由于經(jīng)歷一系列的激波、膨脹波波系，因此溫度會隨之產(chǎn)生波動，激波所控制的核心區(qū)消失，溫度開始下降，直至與周圍環(huán)境溫度匹配。

燃?xì)馑俣妊剌S線變化過程如圖5所示。

圖5 燃?xì)馑俣妊剌S線變化

從圖5中可以看出，燃?xì)馑俣妊剌S線從噴管入口到噴管出口外一定距離呈迅速上升階段，經(jīng)歷波系后出現(xiàn)波動，同樣在激波核心區(qū)消失，速度開始下降，直至與周圍環(huán)境氣流速度一致。

3.3 燃?xì)馍淞鳉夤虄上嗔鲌瞿M

燃?xì)馍淞鳉夤虄上嗔鲌瞿M，發(fā)動機(jī)噴管出口平均壓強(qiáng)為0.101 MPa，高于單相時出口平均壓強(qiáng)，此時射流波節(jié)的形狀仍呈現(xiàn)“X”狀。發(fā)動機(jī)噴管出口平均馬赫數(shù)為3.04時為超聲速流動，出口平均溫度為1 204.3 K，明顯高于單相時的出口平均溫度。在燃?xì)夂皖w粒的多相流動中，顆粒的溫度衰減慢于燃?xì)獾臏囟人p，因此可把顆粒作為低溫氫氣的點火源。為此尋求顆粒相的運(yùn)動軌跡覆蓋范圍及其運(yùn)動過程中的溫度分布。

圖6為考慮顆粒脈動的不同粒徑的顆粒軌跡。受顆粒脈動的影響，從流場上游到流場下游顆粒軌跡出現(xiàn)隨機(jī)擴(kuò)散。

從圖6中可以看出，不同粒徑的固體顆粒在流場中的軌跡差別較大。小尺寸的顆粒，由于其質(zhì)量小，受燃?xì)庀嗟乃俣茸兓绊戄^大，其顆粒軌跡與流線符合較好，隨流性較好；隨著粒徑尺寸的增加，固體顆粒與流線的吻合程度降低，顆粒經(jīng)噴管加速后的軌跡彎曲程度不明顯，出口后的軌跡成錐形分布。

圖6 不同粒徑的顆粒軌跡

不同粒徑顆粒溫度沿x軸方向的變化如圖7所示。

從圖7中可以看出，不同粒徑顆粒溫度沿x軸方向的變化不同，直徑越小，隨流性越好，溫度變化就越劇烈。

圖7 不同粒徑顆粒溫度沿x軸分布

從圖7中還可以看到，直徑為50 μm噴出到4.4 m時，溫度高于1 200 K；直徑為20 μm噴出到2.6 m時，溫度在1 200 K左右；直徑為10 μm噴出到1.8 m時，溫度約為1 200 K；直徑為5 μm噴出到1.3 m時，溫度保持在1 200 K。多組粒徑的情況下，溫度大于1 200 K的顆粒其射程范圍在1.3～4.4 m之間，滿足覆蓋點火裝置與氫氧發(fā)動機(jī)的水平方向距離。中等粒徑的顆粒占顆粒總數(shù)的70%左右，從顆粒溫度和顆粒含量來看，射流場中存在滿足點燃?xì)錃獾臏囟葏^(qū)域，兩相射流場可作為燃?xì)涞拿浇?，能夠覆蓋導(dǎo)流槽上方附近的區(qū)域，滿足點燃低溫氫氣的要求。

不同粒徑顆粒的溫度空間分布情況如圖8所示。

從圖8a中可以看出，溫度范圍在3 200～943 K之間的顆粒，1 μm的高溫顆粒在空間中沿y軸和z軸方向上，分布在半徑為0.35 m的散射圓里。由于顆粒的直徑較小，但與周圍空氣整體的接觸面積較大，因此導(dǎo)致該粒徑下的顆粒在隨燃?xì)鈬姵鰢姽懿贿h(yuǎn)的距離內(nèi)溫度便很快下降。

圖8 不同粒徑顆粒的溫度空間分布

續(xù)圖8

從圖8中可以看出，中等粒徑及較大粒徑的顆粒，其中的高溫顆粒在沿著x軸正向、平行于YOZ平面的平面里，在y軸和z軸方向大都分布在半徑為0.3 m的圓內(nèi)。由此可見，多組粒徑組合的情況下，溫度大于943 K的粒子沿燃?xì)獬隹谳S向散射圓直徑可以達(dá)到0.3 m以上。

4 結(jié) 論

通過對發(fā)動機(jī)排氫燃燒系統(tǒng)點火粒子兩相流動特性研究，得出結(jié)論：

a）溫度大于1 200 K的顆粒其射程范圍在1.3～4.4 m之間，可以覆蓋氫氧發(fā)動機(jī)與點火裝置安裝位置的水平方向距離；

b）溫度大于943 K的顆粒沿出口軸向粒子散射圓半徑在0.3 m以上，可以覆蓋氫氧發(fā)動機(jī)與點火裝置安裝位置的豎直方向上的距離；

c）燃?xì)馍淞鲌鲋写嬖跐M足點燃?xì)錃獾臏囟葏^(qū)域，高溫粒子射流可作為點燃?xì)錃獾拿浇椤?/p>

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Study on Two-phase Flow Characteristics of Ignition Particles of Hydrogen Combustion System

Zhao Zhong-ming1, Zhao Li-qiao1, Xu Xue-lei1, Wang Jue2, Shen Fu-dong1
(1. Beijing Ιnstitute of Space Launch Technology, Beijing, 100076; 2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

Hydrogen combustion system is the key equipment for new generation launch vehicle.The cryogenic hydrogen emitted by the LOX/LH2engine needs to be effectively handled, otherwise deflagration or detonation will occur, which will affect the success of the rocket launch. The hydrogen combustion system adopts the method of ignition by high temperature metal particles. The flow characteristics of high temperature particles determine the effect of hydrogen combustion. Particle trajectory model is used to simulate the particle and gas two-phase flow in order to obtain the motion characteristics of the particles. The results obtained the temperature and spatial distribution characteristics of particles with different diameters, which has important guiding significance for engineering design and experiment of hydrogen combustion system.

Launch vehicle; Particle trajectory model; Hydrogen combustion system; Simulation research

V475.1

A

1004-7182(2017)04-0043-05 DOΙ：10.7654/j.issn.1004-7182.20170411

2017-01-06；

2017-05-17

趙忠明（1985-），男，工程師，主要研究方向為運(yùn)載火箭推進(jìn)劑加注及處理技術(shù)