非同軸式Al/AP粉末發(fā)動機內(nèi)流場數(shù)值計算

李旺 白橋棟 翁春生 汪京

摘要： 為研究非同軸粉末發(fā)動機燃燒室內(nèi)的燃燒與流動特性， 對粉末發(fā)動機燃燒室內(nèi)流場進行三維數(shù)值模擬， 分析了非同軸式粉未噴注、 火焰穩(wěn)定器、 鋁粉顆粒粒徑對粉末發(fā)動機流場特性的影響。 計算結(jié)果表明： 采用非同軸的供粉方式可以促進反應(yīng)物摻混燃燒； 在燃燒室內(nèi)安裝火焰穩(wěn)定器、 減小鋁粉粒徑可以促進鋁粉燃燒， 提升燃燒室內(nèi)的壓力和溫度。

關(guān)鍵詞： Al/AP粉末發(fā)動機； 兩相流； 非同軸式供粉； 火焰穩(wěn)定器

中圖分類號： TJ763； V435文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 1673-5048（2018）04-0033-06

0引言

Al/AP粉末發(fā)動機是以鋁粉為燃料， 高氯酸銨為氧化劑的發(fā)動機。 通過流化輸送裝置改變粉末流量實現(xiàn)推力可調(diào)， 自身攜帶氧化劑和燃料的特點使其可以在真空中工作， 在航空航天領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

Al/AP粉末發(fā)動機的設(shè)計概念最早由Bell航空公司提出， 并且驗證了其點火以及燃燒的可行性[1]； 申慧君使用科氏流量計對氣固兩相流進行測量， 調(diào)試出燃料流量穩(wěn)定的工況[2]； 孔龍飛設(shè)計了駐渦式構(gòu)型的粉末發(fā)動機， 并進行了地面直連實驗， 驗證了其多次點火的可能性[3]； 鄧哲等人分析了不同粒度的鋁粉在不同壓強下的點火燃燒特性[4]； 張勝敏等人通過調(diào)節(jié)粉末燃料和氧化劑流量， 實現(xiàn)了粉末發(fā)動機的推力調(diào)節(jié)技術(shù)[5]； 韓超參考工業(yè)氣力輸送裝置設(shè)計了一套粉末燃料供應(yīng)系統(tǒng)[6]。 在數(shù)值研究方面， D′yachenko等人研究了粉末燃燒產(chǎn)物在噴管處的流動情況[7]； 李悅等人分析了不同氧燃比對粉末發(fā)動機燃燒性能的影響[8]； 冷林濤等人分析了噴注壓力、 固相體積分?jǐn)?shù)等因素對單組元粉末發(fā)動機的影響[9]。

在粉末發(fā)動機中， 粉末燃料隨著流化氣（一般使用氮氣）進入燃燒室后形成一股高速的兩相流。 由于鋁粉蒸發(fā)后形成的鋁蒸氣在氮氣中的擴散性較差， 在普通構(gòu)型的燃燒室內(nèi)氧化劑和鋁蒸氣混合的效果不理想， 燃料的燃燒率較低， 導(dǎo)致燃燒室內(nèi)火焰的自維持具有一定的困難。 因此， 在燃燒室內(nèi)設(shè)置火焰穩(wěn)定器是十分必要的[10-12]。

國內(nèi)外學(xué)者對粉末發(fā)動機的數(shù)值研究所建立的發(fā)動機模型均采用同軸式噴注供粉。 本文對同軸式噴注和非同軸式噴注兩種供粉方式的發(fā)動機燃燒室內(nèi)流場進行數(shù)值仿真， 研究了兩種發(fā)動機燃燒室內(nèi)溫度和壓力分布， 并以非同軸式粉末發(fā)動機為主， 分析有、 無火焰穩(wěn)定器， 粉末顆粒粒徑對發(fā)動機燃燒室內(nèi)壓力、 溫度及鋁粉燃燒率的影響。

1理論模型

1.1幾何模型

1.2基本假設(shè)

為了簡化計算， 做以下假設(shè)：

（1） 發(fā)動機內(nèi)部流場為定常流場；

（2） 反應(yīng)過程為AP的分解產(chǎn)物和鋁蒸氣反應(yīng)， 氣相反應(yīng)為一步反應(yīng)；

（3） 燃?xì)鉃槔硐霘怏w；

（4） 忽略輻射換熱；

（5） 忽略產(chǎn)物的凝結(jié)沉積。

1.3計算模型

1.3.1化學(xué)反應(yīng)模型

1.3.2湍流模型

1.3.3顆粒相模型

粉末發(fā)動機工作時， 燃燒室內(nèi)粉末大量顆粒存在熔化、 蒸發(fā)等過程， 本文采用顆粒軌道模型（DPM）模擬顆粒相在連續(xù)相中的分布， 進行相間耦合計算， 考慮由顆粒引起的熱量傳遞和動量傳遞。 顆粒相計算方程組包括顆粒相的連續(xù)性方程、 動量方程、 能量方程（不考慮輻射換熱）。

1.3.4計算模型適用性

文獻[8]和[14]均采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型、 顆粒軌道模型、 有限速率/渦耗散模型計算金屬顆粒與氧化劑的反應(yīng)。 文獻[8]將數(shù)值計算得出的比沖與Bell航空公司的實驗數(shù)據(jù)進行對比， 計算誤差為10%， 可信度較高， 驗證了模型的適用性。 因此， 上述模型適用于Al/AP粉末發(fā)動機燃燒流動的計算。

1.4計算網(wǎng)格劃分及邊界條件

1.4.1計算網(wǎng)格

圖2所示分別為非同軸式噴注供粉發(fā)動機、 有火焰穩(wěn)定器的非同軸式發(fā)動機、 同軸式供粉發(fā)動機的計算網(wǎng)格。

1.4.2邊界條件

入口邊界條件： 鋁顆粒質(zhì)量流量為0.16 kg/s， AP顆粒質(zhì)量流量為0.32 kg/s。 流化氣采用氮氣， 其質(zhì)量流量在保證氣流速度相同的條件下確定， 同軸式流化氣流量： 鋁粉入口為0.13 kg/s， AP粉末入口為0.39 kg/s， 溫度為300 K； 非同軸式流化氣流量： 兩個入口的流化氣質(zhì)量流量均為0.03 kg/s。

出口邊界條件： 出口靜壓為0.1 MPa， 溫度為300 K。

壁面邊界條件： 在壁面上采用無滑移條件， 溫度采用絕熱壁面條件， 壓力梯度為0。

2計算結(jié)果及分析

2.1供粉方式對發(fā)動機內(nèi)流場的影響

圖3所示為兩種供粉方式發(fā)動機燃燒室內(nèi)的溫度分布。

兩種發(fā)動機模型中， 燃燒室內(nèi)的溫度均在2 000 K以上， 當(dāng)燃?xì)獾竭_發(fā)動機尾部時， 燃燒室內(nèi)有溫度最大值。 同軸式供粉發(fā)動機燃燒室內(nèi)的高溫區(qū)靠近燃燒室壁面呈“圓環(huán)狀”， 最高溫度4 072 K， 工作壓力0.89 MPa。 當(dāng)供粉方式為非同軸式供粉時， 燃燒室內(nèi)的高溫區(qū)在中心軸線附近， 最高溫度4 180 K， 工作壓力為0.92 MPa。

美國Bell航空公司對Al/AP粉末火箭發(fā)動機進行了熱力計算， 當(dāng)氧燃比為2時， 燃燒室內(nèi)的溫度峰值為4 200 K[1]， 與計算結(jié)果相符合。

在非同軸式粉末發(fā)動機中， 當(dāng)鋁粉和AP粉末分別進入燃燒室后， 入口段管徑的突擴處產(chǎn)生的回流作用使得兩種粉末在燃燒室軸線處摻混并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 火焰區(qū)在燃燒室軸線附近。 而同軸式粉末發(fā)動機中大部分的粉末被流化氣包裹離開燃燒室， 混合效果較差， 只有少部分粉末在蒸發(fā)后依靠擴散作用摻混反應(yīng)， 燃料燃燒率較低， 使得燃燒室外側(cè)溫度高于中心軸處。

2.2火焰穩(wěn)定器對燃燒流動的影響

以非同軸式供粉發(fā)動機為例， 在燃燒室內(nèi)距入口40 mm的位置設(shè)置了鈍體火焰穩(wěn)定器， 火焰穩(wěn)定器長度20 mm， 底面直徑30 mm， 分析火焰穩(wěn)定器對燃燒流動的影響。

圖4～5所示為設(shè)置火焰穩(wěn)定器前后燃燒室內(nèi)鋁蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布云圖。 無火焰穩(wěn)定器時， 鋁蒸氣沿壁面擴散， 燃燒室內(nèi)反應(yīng)區(qū)的鋁蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%； 設(shè)置火焰穩(wěn)定器后， 蒸氣進入燃燒室后迅速向四周擴散， 在到達噴管前幾乎充滿整個燃燒室， 反應(yīng)區(qū)鋁蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至43%。

綜上所述， 鈍體火焰穩(wěn)定器的擾流作用促進了組分在燃燒室內(nèi)的擴散， 穩(wěn)定器下游回流區(qū)對鋁的卷吸作用可以提升鋁的燃燒率， 使反應(yīng)更加充分。

2.3鋁粉粒徑對燃燒特性的影響

圖7所示為不同粒徑鋁粉燃燒時燃燒室內(nèi)的溫度分布， 圖8所示為各個截面的溫度最大值沿軸線的變化。 由圖可知， 30 μm鋁粉燃燒時， 燃?xì)庠诰嚯x入口75 mm處溫度就達到4 000 K以上， 距離入口160 mm時， 溫度達到最大值4 320 K， 火焰向燃燒室的尾部穩(wěn)定傳播， 噴管前火焰的最高溫度依然能達到4 000 K， 高溫區(qū)域的形狀最“飽滿”。

當(dāng)鋁粉直徑增大到50 μm和100 μm時， 燃?xì)馍郎厮俾式档停?距入口75 mm處燃?xì)庾罡邷囟刃∮? 000 K， 距離入口160 mm處的溫度峰值降低， 火焰的自維持能力減弱， 到達噴管前火焰區(qū)的溫度峰值僅為3 400 K和3 170 K， 高溫區(qū)域在軸向上向燃燒室頭部“收縮”， 在徑向上向壁面移動。

燃燒室內(nèi)溫度出現(xiàn)此種現(xiàn)象， 一方面是由于鋁粉直徑減小， 其比表面積增大， 單位體積單位時間內(nèi)通過對流換熱吸收的能量升高， 不僅縮短了單個顆粒蒸發(fā)的時間， 同時加快了燃料和氧化劑的反應(yīng)速率， 使得燃燒室內(nèi)迅速升溫； 另一方面是減小鋁粉的直徑可以改善顆粒的隨流性， 來流的鋁粉直徑越小， 越容易受到回流區(qū)域的卷吸作用， 燃料可以充分燃燒， 火焰穩(wěn)定傳播， 表現(xiàn)為燃燒室內(nèi)的高溫區(qū)域“飽滿”， 而顆粒直徑較大的鋁粉具有較大的慣性， 到達火焰區(qū)時不易被卷吸， 燃料未能完全燃燒， 火焰在傳播的過程中由于回流區(qū)內(nèi)燃料的供給不足， 溫度迅速降低， 表現(xiàn)為高溫區(qū)域的“收縮”。

壓力沿燃燒室軸線的分布如圖9所示。 30 μm， 50 μm， 100 μm鋁粉燃燒時， 發(fā)動機穩(wěn)定工作的壓力分別為1.25 MPa， 1.08 MPa， 0.98 MPa， 溫度分布與壓力分布基本一致。

3結(jié)論

（1） 非同軸式粉末發(fā)動機中， 反應(yīng)物在燃燒室前中部分的混合燃燒主要依靠入口的突擴作用， 燃燒室中后段突擴作用減弱。 安裝火焰穩(wěn)定器一方面可以促進組分在燃燒室內(nèi)的擴散； 另一方面在突擴作用減弱后， 穩(wěn)定器后方形成的回流區(qū)卷吸未能充分燃燒的燃料， 使燃料在燃燒室中后段能充分燃燒， 具有穩(wěn)定火焰的作用。

（2） 直徑較小的鋁粉蒸發(fā)和燃燒速率較快， 較好的隨流性使其更容易被卷吸， 大部分未燃燃料進入回流區(qū)燃燒， 火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定， 燃燒室內(nèi)的高溫區(qū)域較“飽滿”。 較大粒徑的鋁粉不易被卷吸， 部分燃料未能進入回流區(qū)燃燒， 導(dǎo)致高溫區(qū)域向燃燒室壁面和頭部“收縮”。

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Abstract： To investigate the combustion and flow characteristics in the combustion chamber of noncoaxial powder engine， a 3D numerical simulation of the flow field in the combustion chamber is conducted. The effects of noncoaxial powder injection mode， flame holder and the diameter of aluminum particle on the flow field characteristics of powder engine are analyzed. The calculation results show that the noncoaxial powder feeding mode can promote the mixing and combustion of reactants in the engine. Installing flame holder and reducing the diameter of aluminum particle can improve the combustion performance of aluminum powder and increase the pressure and temperature in the combustion chamber.

Key words： Al/AP powder engine； twophase flow； noncoaxia