低溫氫氣混合器技術(shù)研究

孫 德，李培昌，馮 飛，王建宇

（1. 北京航天試驗技術(shù)研究所，北京，100074；2. 北京市航天試驗技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京，100074）

0 引 言

流體混合器按混合的物理過程可分為動態(tài)混合器、引射混合器和靜態(tài)混合器3種。靜態(tài)混合器是在管道內(nèi)部加入促進混合的元件如葉片等的一種高效混合設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、應(yīng)用范圍廣的特點[1]。國外從20世紀30年代開始對各種靜態(tài)混合器進行研究[2～6]。

靜態(tài)氫氣混合器是一種在航天領(lǐng)域有重要應(yīng)用的混合器，Blumenthal采用CFD技術(shù)分析了航天飛機主發(fā)動機的氫混合器，通過控制變量法得到最佳設(shè)計[7]；Richter等基于Matlab軟件對斯坦尼斯航天中心試驗臺的氫氣混合器進行了仿真和試驗研究，得到混合器的數(shù)學(xué)模型并進行了驗證[8]；佘喜春等設(shè)計了一種應(yīng)用于石油化工行業(yè)的氫氣混合器，用于氫氣與原料、催化劑等均勻混合[9]；孫萬明等發(fā)明了一種用于航天試驗領(lǐng)域的層板式高壓低溫氣氫混合器，但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其在大流量混合狀態(tài)下的流阻較大[10]。

本文基于CFD平臺，設(shè)計了一種用于航天試驗領(lǐng)域的靜態(tài)低溫氫氣混合器，并對其混合情況進行了數(shù)值模擬及試驗驗證，結(jié)果表明混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計達到預(yù)期效果，液氫與氣氫得到充分摻混，混合器流阻小于0.1 MPa，該混合器圓滿解決了某類火箭發(fā)動機試驗中對大流量低溫氫氣的需求。

1 混合器設(shè)計

本文研究的目的是設(shè)計出一種混合效果好、壓降損失低的混合器，以解決某型號試驗中大流量低溫氫氣的制取問題。本次設(shè)計采用靜態(tài)螺旋式混合器，其結(jié)構(gòu)和外形如圖1所示。由圖1可知，混合器有一個液氫入口、一個常溫氣氫入口、一個低溫氣氫出口和一個清洗排放口。混合器的混合組件由液氫入口的起旋器和混合器內(nèi)的引流混合單元組成。

圖1 混合器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of the Mixer

流體在入口處被起旋器分割成兩股，起旋器后為微擴張的帶孔錐筒，起旋后的兩股液氫通過錐筒減速擴散；氣氫從側(cè)壁入口進入混合器腔體，在正對入口的錐筒的下游設(shè)置了擋板以達到均勻流動的目的，同時氣氫通過錐筒上的孔進入錐筒與液氫初步摻混。隨后流體進入混合器內(nèi)的混合單元，該單元對流體的混合作用主要為對流體進行軸向的分流及徑向的混合。

混合器內(nèi)置3個混合單元，流體經(jīng)過混合單元時被強制旋流并均勻分成兩股旋轉(zhuǎn)方向相反的流體。如果流體流經(jīng)n個混合單元，葉片切割流體n次，使得流體被切割的層數(shù)増加至 S=2n，因此流體流經(jīng)的混合單元數(shù)越多，其混合效果越好。

2 流場及溫度數(shù)值模擬

本文利用Fluent對混合器內(nèi)的混合過程進行了數(shù)值模擬，將模型劃分為四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對流項差分格式采用二階迎風格式。進口邊界采用質(zhì)量流量進口，出口邊界采用壓力出口，管外壁以及管內(nèi)靜態(tài)混合單元部分設(shè)置為無滑移壁面。湍流模型采用標準的k-ε模型，分離求解器求解，耦合壓力場采用Simple算法。計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)Tab.1 Calculation Parameter

數(shù)值模擬結(jié)果如圖2～7所示，取3個截面進行數(shù)據(jù)分析，分別為中心截面和軸向截面，具體位置如表2所示。

表2 分析剖面坐標及位置Tab.2 Coordinates and Location of the Section

混合器內(nèi)速度矢量云圖如圖2所示。由圖2可知，液氫在起旋器后分成兩股并順時針旋轉(zhuǎn)，同時氣氫密度小、流速快，在進入混合器繞流液氫擴張錐筒的同時從小孔流入錐筒并與液氫發(fā)生摻混。經(jīng)過下游的混合單元時，混合氫被不斷強制旋轉(zhuǎn)和分割，同時由于混合單元后漩渦的存在，促進了不同溫度氫的混合。

圖2 混合器內(nèi)三維速度矢量云圖Fig.2 Velocity Vector Diagram in Mixer

中心截面溫度及壓力分布如圖3所示。由圖3可知，氣氫及液氫在經(jīng)過液氫擴張段的初步摻混后，混氣溫度范圍約為100～180 K；再經(jīng)過三級混合單元充分摻混及熱交換后，溫度分布基本均勻，約120～121 K，出入口流阻約為0.02 MPa。

圖3 中心截面溫度場及壓力場分布云圖Fig.3 Distribution of Temperature Field and Pressure Field Central Section

2個軸向截面溫度壓力分布如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，隨著軸向距離逐步增加，截面的溫度、壓力分布逐漸趨于均勻，在出口前10 mm截面溫度已達到120 K，截面內(nèi)溫差小于1 K；壓力為15 MPa，截面內(nèi)壓差小于0.01 MPa

圖4 氣氫進口截面溫度壓力分布云圖（Z=230mm）Fig.4 Distribution of Temperature and Pressure Cross-section of the Gas Hydrogen Inlet(Z=230mm)

圖5 氣氫出口截面溫度壓力分布云圖（Z=1350mm）Fig.5 Distribution of Temperature and Pressure Cross-section of the Gas Hydrogen Outlet(Z=1350mm)

數(shù)值計算結(jié)果表明，混合器出口截面上的溫差不大于±1.5 K，流阻損失小于0.1 MPa，表明混合器內(nèi)部流體經(jīng)過不斷地分流、撞擊、旋轉(zhuǎn)、合流等過程，已經(jīng)充分摻混，達到了預(yù)期的設(shè)計目的。

3 試驗驗證

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對混合器進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進行了多種工況的試驗驗證。

試驗工況1的設(shè)計混合溫度為70 K，低溫氫流量為1.828 kg/s，出口壓力為10.5 MPa；

試驗工況2的設(shè)計混合溫度為95 K，低溫氫流量為1.72 kg/s，出口壓力為11.1 MPa；

試驗工況3的設(shè)計混合溫度為100 K，低溫氫流量為1.046 kg/s，出口壓力為6.4 MPa。

混合器出入口的壓差小于0.1 MPa，可認為其混合過程為定壓過程?；旌掀鲉挝粫r間內(nèi)流入質(zhì)量與流出質(zhì)量相同，可認為混合器內(nèi)流體總質(zhì)量保持不變，混合器內(nèi)部為閉口系統(tǒng)，根據(jù)閉口系統(tǒng)能量方程及定壓過程系統(tǒng)功的變化可以得到：

由焓的定義：

聯(lián)合導(dǎo)出定壓過程中：

式中 Qp為系統(tǒng)與外界的熱量交換；U為系統(tǒng)內(nèi)能；P為系統(tǒng)壓力；V為系統(tǒng)體積；H為系統(tǒng)焓值，即閉口系統(tǒng)定壓過程中與外界的熱量交換為系統(tǒng)焓的變化。

本系統(tǒng)中混合器外有聚氨酯發(fā)泡絕熱，混合時間又極短，可認為混合過程為絕熱過程，因此與外界的熱量交換為零，即混合過程系統(tǒng)的焓變?yōu)榱?，?jù)此可以計算得出混合后低溫氫氣的溫度。根據(jù)試驗工況的設(shè)計參數(shù)，可以得到每種工況下混合器的工作參數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 混合器工作參數(shù)Tab.3 Working Parameters of the Mixer

按照表2中的計算結(jié)果設(shè)置了混合器入口液氫與氣氫的各項參數(shù)，進行了試驗驗證，得到3種工況下的混合器壓力曲線，如圖6所示。

圖6 混合器入口與出口壓力特性曲線Fig.6 Inlet and Outlet Pressure Curve of the Mixer

從圖6中可以看出，在3種不同工況下，混合器入口與出口壓差均小于 0.1 MPa，達到預(yù)期的設(shè)計目標。

混合器出口溫度特性如圖7所示。

圖7 混合器出口溫度特性曲線Fig.7 Temperature Curve of the Mixer Outlet

續(xù)圖7

從圖7可以看出，混合器出口溫度在試驗開始7 s后逐漸平衡，維持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，波動較小，表明混合器內(nèi)流體混合狀態(tài)穩(wěn)定。工況1出口溫度約為71 K，工況 2出口溫度約為 94.5 K，工況 3出口溫度約為100.5 K。試驗測量的混合溫度與設(shè)計溫度基本一致，最大誤差為1.4%，表明混合器內(nèi)的流體混合均勻，達到了預(yù)期的效果。不同工況的溫度及誤差如表4所示。

表4 不同工況溫度及誤差Tab.4 Temperature of Different Working Conditions and the Errors

4 結(jié) 論

本文基于CFD平臺，對設(shè)計的低溫氫氣混合器內(nèi)的流體混合情況進行了數(shù)值模擬，得到混合器內(nèi)的流場及溫度分布。模擬結(jié)果表明，混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計達到預(yù)期效果，液氫與氣氫得到充分摻混，混合器壓力損失小于0.1 MPa。經(jīng)過不同工況的試驗驗證，得到了混合器的進出口壓力曲線及出口的溫度曲線，與數(shù)值計算進行了比對，結(jié)果表明混合器摻混效果良好，氣氫與液氫達到充分混合，達到預(yù)期設(shè)計效果，可以滿足試驗中大流量低溫氣氫制取的需求。