大擴(kuò)張比噴管分離流動(dòng)冷流試驗(yàn)研究

劉 沛，李 耿，趙 利

（1.西安航天動(dòng)力技術(shù)研究所，西安 710025；2.陜西宇航科技工業(yè)有限公司，西安 710025）

大擴(kuò)張比噴管分離流動(dòng)冷流試驗(yàn)研究

劉 沛1，＊，李 耿1，趙 利2

（1.西安航天動(dòng)力技術(shù)研究所，西安 710025；2.陜西宇航科技工業(yè)有限公司，西安 710025）

為研究流動(dòng)分離條件下氣流特性，針對(duì)某試驗(yàn)大擴(kuò)張比噴管，開展了地面冷流試驗(yàn)研究。試驗(yàn)得到了分離點(diǎn)前后測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)與入口壓強(qiáng)的變化規(guī)律，并對(duì)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了傅里葉分析。研究結(jié)果表明，隨著入口壓強(qiáng)升高，分離點(diǎn)前測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)不斷升高，分離點(diǎn)后測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)降低，遠(yuǎn)離分離點(diǎn)的下游測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)基本不變，且略低于環(huán)境壓強(qiáng)；流動(dòng)分離會(huì)導(dǎo)致分離點(diǎn)后壓強(qiáng)脈動(dòng)增大，且脈動(dòng)主要為50Hz以內(nèi)的低頻脈動(dòng)，該研究為大擴(kuò)張比噴管的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)提供了重要參考。

流動(dòng)分離；冷流試驗(yàn)；壓強(qiáng)脈動(dòng)

0 引 言

大擴(kuò)張比噴管在地面試車及發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、關(guān)機(jī)過程中都會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離。分離導(dǎo)致的流動(dòng)不穩(wěn)定往往產(chǎn)生較大的振動(dòng)載荷，從而影響試驗(yàn)測(cè)試以及試車結(jié)果的評(píng)價(jià)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)噴管和發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)造成破壞，美國(guó)的J-2S發(fā)動(dòng)機(jī)［1］、歐洲的Vulcain發(fā)動(dòng)機(jī)［2］以及日本的LE-7A發(fā)動(dòng)機(jī)［3］在研制過程中均出現(xiàn)過因氣流分離導(dǎo)致的試車故障。因此，深入研究流動(dòng)分離現(xiàn)象，掌握相關(guān)機(jī)理和規(guī)律，對(duì)于提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)測(cè)試水平具有重要意義。

關(guān)于流動(dòng)分離，國(guó)外開展了大量的研究。文獻(xiàn)［4-5］中數(shù)值仿真表明噴管中存在2種不同的分離模式，即FSS（Free Shock Separation）和RSS（Restricted Shock Separation），該結(jié)果已得到實(shí)驗(yàn)的廣泛證實(shí)［68］。文獻(xiàn)［9］研究發(fā)現(xiàn)，馬赫盤后漩渦的阻礙作用是導(dǎo)致氣流再附著發(fā)生RSS的重要因素；文獻(xiàn)［10］則認(rèn)為分離后的回流區(qū)是噴管內(nèi)部激波反射的結(jié)果，認(rèn)為TIC噴管是避免強(qiáng)烈側(cè)向載荷的更好選擇；文獻(xiàn)［11］在研究中發(fā)現(xiàn)TIC噴管中會(huì)發(fā)生“Quasi-RSS”，并認(rèn)為這與噴管中的側(cè)向載荷有很大關(guān)系。國(guó)內(nèi)各科研院所和高校也對(duì)流動(dòng)分離開展了相應(yīng)研究；文獻(xiàn)［12］采用數(shù)值仿真對(duì)燃燒室壓強(qiáng)和噴管型面對(duì)流動(dòng)分離的影響進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［13］對(duì)分離條件下噴管壁面的氣動(dòng)彈性響應(yīng)進(jìn)行了分析，未發(fā)現(xiàn)噴管周期性振動(dòng)的變化；文獻(xiàn)［14］采用流固耦合方法對(duì)噴管快速升壓過程進(jìn)行研究，結(jié)果表明噴管中的側(cè)向載荷與升壓過程的快慢有關(guān)。但上述研究均未對(duì)流動(dòng)分離條件下氣流本身的特性進(jìn)行深入研究。

由于固體推進(jìn)劑燃?xì)饨M分復(fù)雜，高溫高壓兩相流動(dòng)使測(cè)試和分析的精度難以保證，而冷流試驗(yàn)具有工質(zhì)氣體組分簡(jiǎn)單，試驗(yàn)壓強(qiáng)及流量易于控制，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。且冷流條件與熱流條件在分離機(jī)理上是相同的，因此采用冷流試驗(yàn)研究固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的分離流動(dòng)具有一定的實(shí)際意義。

本文對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)分離流場(chǎng)進(jìn)行冷流試驗(yàn)研究，對(duì)試驗(yàn)的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以揭示分離點(diǎn)前后噴管壁面壓強(qiáng)脈動(dòng)特性。

1 試驗(yàn)裝置及測(cè)試參數(shù)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)噴管總長(zhǎng)396mm，喉徑為Φ40mm，噴管內(nèi)型面為錐形，收斂半角為40°，擴(kuò)張半角為15°，最大擴(kuò)張比為30.25。噴管壁面處沿軸線分布11個(gè)測(cè)壓孔，用以測(cè)量噴管內(nèi)的壓強(qiáng)分布，噴管型面及測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 噴管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration of test nozzle

試驗(yàn)裝置主要由空氣供應(yīng)系統(tǒng)、集氣裝置、試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)、壓強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)和PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖2所示。

試驗(yàn)時(shí)，空氣供應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓空氣通過管路進(jìn)入集氣裝置，經(jīng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)至試驗(yàn)所需的壓強(qiáng)后流入噴管，通過壓強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)噴管壁面的壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量。

圖2 試驗(yàn)裝置照片F(xiàn)ig.2 Photo of test facility

1.2 測(cè)試參數(shù)

根據(jù)流動(dòng)分離特性，試驗(yàn)中在噴管入口及上游區(qū)域采用正壓傳感器測(cè)量，對(duì)于分離點(diǎn)附近及下游區(qū)域，由于壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)，采用負(fù)壓傳感器進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)分離點(diǎn)位置由數(shù)值仿真結(jié)果得到，試驗(yàn)采用的正壓測(cè)試系統(tǒng)及負(fù)壓測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)校準(zhǔn)精度分別為0.0678%～0.2119%、0.2518%～0.4470%。

試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)傳感器具有很高的固有頻率，高頻特性較好。由于負(fù)壓傳感器對(duì)工作環(huán)境壓強(qiáng)非常敏感，為了避免噴管射流引射作用對(duì)近壁區(qū)大氣壓強(qiáng)產(chǎn)生影響從而造成測(cè)試誤差，負(fù)壓傳感器采用測(cè)壓管路引出至遠(yuǎn)離噴管外壁區(qū)。采用對(duì)測(cè)壓管路充油的方法提高測(cè)壓管路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率，并采用Φ100mm標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)壓力激波管獲得測(cè)壓管路和壓力傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)結(jié)果表明，壓力測(cè)試系統(tǒng)在幅值誤差為5%時(shí)的工作頻帶為10.1kHz。

由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件固有頻率一般不大于500Hz，對(duì)更高頻率的壓強(qiáng)脈動(dòng)不敏感，因此數(shù)據(jù)采樣頻率選取為1000Hz，采樣有效時(shí)長(zhǎng)大于15s。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 測(cè)點(diǎn)位置與壓強(qiáng)變化

圖3為試驗(yàn)過程中噴管的外壁情況，從圖中可以看出：噴管外壁上游發(fā)生冷凝現(xiàn)象，這是由于高壓氣體在噴管中膨脹加速，溫度不斷下降導(dǎo)致噴管外壁溫度降低，空氣中的水蒸氣在噴管外壁遇冷凝結(jié)；噴管外壁下游無冷凝現(xiàn)象，原因是噴管中發(fā)生氣流分離，分離點(diǎn)后氣流速度降低，溫度上升，同時(shí)分離區(qū)回流速度較低，使得氣流與噴管內(nèi)壁的對(duì)流換熱效應(yīng)減弱，噴管外壁溫度接近外界環(huán)境。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)入口總壓升高時(shí)，測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)呈現(xiàn)3種不同的變化趨勢(shì)：測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)持續(xù)升高，測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)先降低后升高，測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)基本不變且略低于環(huán)境壓強(qiáng)。圖4～7分別為平滑后典型測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)依次為入口測(cè)點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)p1、測(cè)點(diǎn)p2和測(cè)點(diǎn)p8。

根據(jù)文獻(xiàn)［15］，流動(dòng)分離會(huì)造成壁面壓強(qiáng)呈現(xiàn)圖8所示的分布規(guī)律，即：分離點(diǎn)前，壁面壓強(qiáng)隨著軸向距離的升高而降低，在分離點(diǎn)處達(dá)到最低；分離點(diǎn)后，壁面壓強(qiáng)急劇升高；遠(yuǎn)離分離點(diǎn)的下游，壁面壓強(qiáng)緩慢升高，在噴管出口處達(dá)到與環(huán)境壓強(qiáng)基本一致。在環(huán)境壓強(qiáng)不變條件下，分離點(diǎn)位置隨入口壓強(qiáng)的升高向噴管出口移動(dòng)，且分離點(diǎn)前相同軸向位置的壁面壓強(qiáng)與入口壓強(qiáng)之比保持不變。根據(jù)上述規(guī)律，測(cè)點(diǎn)p1壓強(qiáng)變化趨勢(shì)與入口壓強(qiáng)一致，隨入口壓強(qiáng)升高而升高，說明測(cè)點(diǎn)p1位于分離點(diǎn)上游；當(dāng)入口壓強(qiáng)較低時(shí)，測(cè)點(diǎn)p2壓強(qiáng)隨入口壓強(qiáng)的升高而降低，達(dá)到最低值后，入口壓強(qiáng)繼續(xù)升高，p2壓強(qiáng)也隨之升高，說明在試驗(yàn)過程中，隨著入口壓強(qiáng)的升高，分離點(diǎn)位置由測(cè)點(diǎn)p2上游移動(dòng)至p2下游；測(cè)點(diǎn)p8壓強(qiáng)基本不變，且與環(huán)境壓強(qiáng)基本一致，說明測(cè)點(diǎn)p8位于遠(yuǎn)離分離點(diǎn)的下游。

圖3 試驗(yàn)過程噴管外壁情況Fig.3 Photo of nozzle in test

圖4 入口測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.4p-tcurve at inlet

圖5p1測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.5p-tcurve oftest pointp1

圖6p2測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.6p-tcurve of test pointp2

圖7p8測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)-時(shí)間曲線Fig.7p-tcurve oftest pointp8

圖8 流動(dòng)分離條件下噴管壁面壓強(qiáng)變化曲線［15］Fig.8 Wall pressure distribution under the separation condition

2.2 壓強(qiáng)脈動(dòng)特性分析

圖9給出了入口平均壓強(qiáng)pc＝4.28MPa時(shí)的壁面壓強(qiáng)分布。從圖中可以看出，沿噴管軸線方向，從測(cè)點(diǎn)p1到測(cè)點(diǎn)p5，壁面壓強(qiáng)逐漸降低，平均壓強(qiáng)由487.67kPa降低到36.65kPa，而到了測(cè)點(diǎn)p6，平均壓強(qiáng)又迅速升高到68.90kPa，這表明試驗(yàn)壓強(qiáng)下分離點(diǎn)位于測(cè)點(diǎn)p5和p6之間。

圖9 試驗(yàn)壁面壓強(qiáng)分布，pc＝4.28MPaFig.9 Wall pressure distribution by test，pc＝4.28MPa

分別選取分離點(diǎn)前后測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖10為壓強(qiáng)平穩(wěn)段p4～p6和p11測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線。對(duì)該結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。數(shù)據(jù)顯示，分離點(diǎn)上游壓強(qiáng)數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，且數(shù)據(jù)波動(dòng)隨著靠近分離點(diǎn)而減小，測(cè)點(diǎn)p4和p5的數(shù)據(jù)峰值分別為4.76和2.44kPa，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.6642和0.3073kPa；分離點(diǎn)下游數(shù)據(jù)波動(dòng)顯著增大，測(cè)點(diǎn)p6和p11的數(shù)據(jù)峰峰值分別為12.26和14.61kPa，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.5333和2.0707kPa。

圖10 測(cè)點(diǎn)p4～p6、p11的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線，pc＝4.28MPaFig.10p-tcurve of test pointsp4～p6、p11，pc＝4.28MPa

表1 測(cè)點(diǎn)p4～p6、p11壓強(qiáng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Table 1 Statistic analyses of pressure data of test pointsp4～p6、p11

為進(jìn)一步分析分離點(diǎn)前后壓力脈動(dòng)特性的差異，對(duì)平穩(wěn)段測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換得到測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)的頻譜，結(jié)果如圖11～14所示。

壓強(qiáng)數(shù)據(jù)的頻譜分析結(jié)果表明，測(cè)點(diǎn)p4處壓強(qiáng)脈動(dòng)主要集中在2.2～23.8Hz頻帶，脈動(dòng)主頻率為18.6Hz，對(duì)應(yīng)幅值0.1097kPa。測(cè)點(diǎn)p5處壓強(qiáng)脈動(dòng)突出頻帶為3.7～21.4Hz，脈動(dòng)主頻率為3.7Hz，對(duì)應(yīng)幅值0.0219kPa，僅為測(cè)點(diǎn)p4主頻脈動(dòng)幅值的20%。這表明，分離點(diǎn)前壁面壓強(qiáng)脈動(dòng)主要為低頻脈動(dòng)，隨著流動(dòng)接近分離點(diǎn)，壁面壓強(qiáng)脈動(dòng)的低頻成分會(huì)急劇減弱。

圖11 測(cè)點(diǎn)p4數(shù)據(jù)頻譜Fig.11 Spectrum of pressure of test pointp4

圖12 測(cè)點(diǎn)p5數(shù)據(jù)頻譜Fig.12 Spectrum of pressure of test pointp5

圖13 測(cè)點(diǎn)p6數(shù)據(jù)頻譜Fig.13 Spectrum of pressure of test pointp6

圖14 測(cè)點(diǎn)p11數(shù)據(jù)頻譜Fig.14 Spectrum of pressure of test pointp11

測(cè)點(diǎn)p6壓強(qiáng)脈動(dòng)主要集中在4.1～50Hz頻帶，脈動(dòng)主頻率為4.1Hz，對(duì)應(yīng)幅值為0.1787kPa，為測(cè)點(diǎn)p5的8.16倍。這表明，氣流流經(jīng)分離點(diǎn)后，低頻脈動(dòng)會(huì)顯著增強(qiáng)，這可能是由于測(cè)點(diǎn)p6位于分離點(diǎn)下游，該處邊界層與壁面發(fā)生分離，并與外界回流空氣相互作用造成。

靠近噴管出口的測(cè)點(diǎn)p11處低頻壓強(qiáng)脈動(dòng)不明顯，各頻帶脈動(dòng)成分相當(dāng)，但相對(duì)于分離點(diǎn)上游，壁面壓強(qiáng)脈動(dòng)在較高頻帶（＞50Hz）幅值有所增大。

通過以上壓強(qiáng)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于噴管中的分離流動(dòng)，分離點(diǎn)前后氣流的脈動(dòng)特性有很大差異。分離點(diǎn)后時(shí)域曲線的峰峰值和頻域曲線的幅值遠(yuǎn)大于分離點(diǎn)前，說明分離之前的流場(chǎng)比較穩(wěn)定，湍流脈動(dòng)較弱，流動(dòng)分離之后，流場(chǎng)變得不穩(wěn)定，湍流脈動(dòng)效應(yīng)明顯增強(qiáng)。由于分離后氣流的脈動(dòng)幅度增大，對(duì)噴管擴(kuò)張段的載荷也更大，因此在大面積比噴管的地面試車過程中，可能會(huì)因?yàn)榉蛛x后氣流增大的動(dòng)態(tài)載荷而導(dǎo)致噴管結(jié)構(gòu)的破壞。另外，從測(cè)試結(jié)果的頻域分析來看，分離后氣流的低頻脈動(dòng)尤為突出，因此在實(shí)際噴管設(shè)計(jì)中，應(yīng)該注意噴管的模態(tài)等特性，避免與氣流激勵(lì)發(fā)生耦合引起噴管的共振。

3 結(jié) 論

通過對(duì)流動(dòng)分離條件下大擴(kuò)張比噴管的冷流試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

（1）大擴(kuò)張比噴管在地面條件下會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離：分離點(diǎn)前壁面壓強(qiáng)隨入口壓強(qiáng)升高而升高；靠近分離點(diǎn)的下游，壁面壓強(qiáng)隨入口壓強(qiáng)的升高而下降；遠(yuǎn)離分離點(diǎn)的下游，壁面壓強(qiáng)基本不變，且與環(huán)境壓強(qiáng)一致，可以據(jù)此判斷測(cè)點(diǎn)與分離點(diǎn)的相對(duì)位置；

（2）流動(dòng)分離條件下，分離點(diǎn)前后的流動(dòng)特性有很大差異。分離點(diǎn)前的流場(chǎng)比較穩(wěn)定，壓強(qiáng)脈動(dòng)較弱，流動(dòng)分離后，壓強(qiáng)脈動(dòng)效應(yīng)顯著增強(qiáng)，隨著遠(yuǎn)離分離點(diǎn)，壓強(qiáng)脈動(dòng)減弱，但強(qiáng)于分離點(diǎn)上游；

（3）冷流條件下，分離點(diǎn)后的壓強(qiáng)脈動(dòng)主要集中在50Hz以內(nèi)的低頻帶，流動(dòng)分離產(chǎn)生的低頻壓強(qiáng)脈動(dòng)可能導(dǎo)致噴管發(fā)生共振并造成結(jié)構(gòu)破壞。

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Experimental study on cold separation flow in large expansion ratio nozzle

Liu Pei1，＊，Li Geng1，Zhao Li2
（1.The Institute of Xi’an Aerospace Solid Propulsion Technology，Xi’an 710025，China；2.Shaanxi Aerospace Science and Technology Industrial Co.，LTD，Xi’an 710025，China）

In order to investigate flow characteristics of the separation flow，cold flow tests were conducted in a solid rocket motor nozzle with a high expansion ratio under the sea level condition.The influences of the inlet pressure on the pressure of test points upstream and downstream the separation location were revealed in the tests and pressure data were analyzed by means of FFT.The results show that the pressure increases for test points upstream the separation location but decreases for test points downstream the separation location.The pressure is steady and right below the ambient pressure for test points downstream and far away from the separation location.Pressure fluctuations become more evident after separation in comparison with that before separation，and the enhanced pressure fluctuations were mainly low-frequency fluctuations in the range of 50Hz.The research has important reference to the designing and testing of the nozzle with a high expansion ratio.

flow separation；cold flow test；pressure fluctuation

（編輯：楊 娟）

2016-04-17；

2016-07-26

＊通信作者E-mail：liupei0102＠163.com

LiuP，LiG，ZhaoL.Experimentalstudyoncoldseparationflowinlargeexpansionrationozzle.JournalofExperimentsinFluidMechanics，2017，31（1）：62-66.劉 沛，李 耿，趙 利.大擴(kuò)張比噴管分離流動(dòng)冷流試驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2017，31（1）：62-66.

1672-9897（2017）01-0062-05

10.11729／syltlx20160067

V435

A

劉 沛（1989-），男，河南省南陽人，助理工程師。研究方向：固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。通信地址：陜西省西安市120信箱（710025）。E-mail：liupei0102＠163.com