單噴嘴濺板式層板噴注器氣/氣摻混數(shù)值模擬研究

尹亮,丁杰,李旋旗

(1.湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 常德,415000;2.湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,湖南 常德,415000)

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中,噴注器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響最大,良好的噴注器設(shè)計(jì)對(duì)推進(jìn)劑霧化、混合、燃燒及穩(wěn)定性等方面具有決定性作用。層板式噴注器是美國(guó)Aerojet公司在20世紀(jì)70年代研制的一種新型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器,具有集液腔容積小,響應(yīng)特性好,脈沖小,比沖大等特點(diǎn)[1–2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在層板式噴注器的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及性能分析等方面進(jìn)行了大量的研究工作[3–4],但一般都是通過冷試、熱試多次修改設(shè)計(jì)方案后獲得成功的,有關(guān)層板式噴注器性能分析與設(shè)計(jì)等理論方面的研究基本上還處于空白,對(duì)其流動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析也少有文獻(xiàn)發(fā)表[5]。Mueggengurg[6]提出了一款針對(duì)O2/H2發(fā)動(dòng)機(jī)的橫向?qū)影迨絿娮⑵?該噴注器共由44塊層板組成,其中的16塊層板厚度為0.127 mm,28塊厚度為0.254 mm,每一層板均包括70個(gè)直徑為2.362 2 mm的氧氣孔,二個(gè)直徑為3.175 mm的壓力管道孔及無(wú)數(shù)個(gè)直徑為0.254 mm的氫氣孔,在經(jīng)過一系列的試驗(yàn)后證明,該層板式噴注器表現(xiàn)出了良好的流動(dòng)性,冷卻性及抗堵塞能力。經(jīng)過4 200個(gè)工作循環(huán)后噴注器無(wú)明顯的失效和損壞發(fā)生,同時(shí)其燃燒效率在有面板冷卻的情況下可提高1.5%左右。李家文等[7]提出一種氣氧/甲烷層板式噴注器,該噴注器具有邊區(qū)冷卻劑流量調(diào)節(jié)固定裝置,可根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)冷卻劑流量大小,并通過五塊層板對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行分流控制,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)特性好的優(yōu)點(diǎn)。李君海[8]等設(shè)計(jì)研究了一種雙組元?dú)庋?丙烷小推力發(fā)動(dòng)機(jī),該發(fā)動(dòng)機(jī)頭部采用層板式噴注器結(jié)構(gòu),采用電火花塞進(jìn)行點(diǎn)火,其推力為160 N,燃燒室壓力0.62 MPa,真沖比沖達(dá)到2 961 m/s,并通過在噴注器邊區(qū)布置氣膜冷卻方式結(jié)合高溫抗氧化材料達(dá)到熱防護(hù)的效果。Yin等[9–12]對(duì)濺板式層板噴注器進(jìn)行了大量工作,對(duì)單噴嘴及多噴嘴濺板式層板噴注器氣氣燃燒特性進(jìn)行了數(shù)值仿真研究,設(shè)計(jì)了一種氣膜冷卻層板式噴注器結(jié)構(gòu),采用氣態(tài)甲烷作為冷卻劑,對(duì)不同冷卻孔參數(shù)下氣膜冷卻效果進(jìn)行數(shù)值仿真分析,并在數(shù)值仿真基礎(chǔ)上開展了氣氧/甲烷層板式噴注器氣氣流量特性及燃燒特性試驗(yàn)研究。

綜上所述,目前針對(duì)層板式噴注器的設(shè)計(jì)主要以試驗(yàn)為主,在設(shè)計(jì)理論、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流動(dòng)特性等方面的研究較少。本文以目前國(guó)內(nèi)研究較多的濺板式層板噴注器為對(duì)象,重點(diǎn)考察出口層噴嘴寬度對(duì)噴注器氣氣流動(dòng)特性的影響,并對(duì)其內(nèi)部摻混特性進(jìn)行分析。

1 模型參數(shù)

噴注器結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)[13]的設(shè)計(jì)方案。單噴嘴濺板式層板噴注器由入口層、中間層、出口層組成,厚度分別取0.3、0.6、0.3 mm。模擬過程中為了消除入口端長(zhǎng)度對(duì)氣體流動(dòng)的影響,選擇4倍入口長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)保持噴嘴間距及中間層噴嘴寬度不變,模擬過程中,入口質(zhì)量流量不變,只改變出口層噴嘴寬度,L1/L分別取0.6、0.7、0.8、0.9,采用壓力出口邊界條件,壁面為絕熱無(wú)滑移條件。推進(jìn)劑分別選擇氣氧及氣態(tài)甲烷,相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 噴注器參數(shù)

從結(jié)構(gòu)上來看,影響濺板式噴注單元性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:出口層噴嘴間距D、擴(kuò)張角γ、出口層噴嘴寬度L1、中間層噴嘴寬度L、中間層厚度H2、出口層厚度(噴注面板)H3、氧化劑入口孔徑DO及燃料入口孔徑Df等,濺板式層板噴注單元結(jié)構(gòu)示意圖及相關(guān)參數(shù)定義見圖1。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí),由于層板單元尺寸較小,為了更好地對(duì)氣體在層板通道中的流動(dòng)情況進(jìn)行分析,采用球面密度法對(duì)層板單元區(qū)域與燃燒室流體域相鄰部分的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密;同時(shí)為減少網(wǎng)格數(shù)量,選取模型的一半進(jìn)行計(jì)算。噴注單元網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖1 濺板式層板噴注單元示意圖

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果及分析

2.1 流場(chǎng)分析

濺板式噴注單元具有性能高,相容性好,對(duì)工況及推進(jìn)劑溫度變化不敏感的優(yōu)點(diǎn),其噴注特點(diǎn)在于:推進(jìn)劑從噴注器頭部入口進(jìn)入噴注單元體,經(jīng)各層板孔及流道進(jìn)行分流,最后由噴注面板梯形孔邊緣呈一定角度扇形噴出。液體推進(jìn)劑在流經(jīng)噴注器流道時(shí)被剪切、破碎、強(qiáng)迫變形,撞擊出口層噴注面板產(chǎn)生預(yù)霧化。因此,與傳統(tǒng)射流撞擊霧化不同,濺板式噴注單元由于其特殊的噴注方式,液膜厚度較小,撞擊界面不明顯甚至不存在。同時(shí)濺板式噴注單元由于性能高,相容性好,對(duì)工況及推進(jìn)劑溫度變化不敏感的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在小推力姿控發(fā)動(dòng)機(jī)上。由于各層層板流道的交錯(cuò)排布,推進(jìn)劑與噴注單元體接觸面積大,能對(duì)噴注器頭部進(jìn)行有效冷卻。

為了詳細(xì)了解燃燒室內(nèi)部流動(dòng)及摻混情況,取出口層噴嘴寬度L1/L=0.6進(jìn)行分析,對(duì)徑向方向上燃燒室不同截面流線變化進(jìn)行分析,各截面距噴注面板距離分別為5、15、25、35 mm,如圖3所示。由于噴嘴出口為梯形結(jié)構(gòu),氧氣出口面積較大,燃料與氧化劑撞擊后在徑向方向上存在一定速度差,在靠近燃料一側(cè)首先形成較大回流區(qū),氧化劑一側(cè)回流區(qū)域較小。徑向方向上回流區(qū)的存在有利于推進(jìn)劑之間的混合,隨著流動(dòng)的不斷發(fā)展,回流區(qū)逐漸變小、變?nèi)?摻混效果變差。

圖3 不同截面上回流區(qū)流線變化情況

圖4為對(duì)稱面上不同出口層噴嘴寬度對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響情況。由圖4可知,噴注角越大,撞擊點(diǎn)離噴注面越近,回流區(qū)位置也越靠近噴注面。采用VISIO軟件對(duì)噴注角進(jìn)行處理,獲得各噴注器結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)下的噴注角分別為54.0°、52.2°、34.5°、3.5°,即隨著出口層噴嘴寬度的增大,噴注角越小。

圖4 不同出口層噴嘴寬度下流線圖

為了更好地觀察燃燒室頭部區(qū)域流動(dòng)及混合情況,圖5給出了噴嘴末端近場(chǎng)流線分布圖,可以看出,燃燒室頭部區(qū)域存在兩個(gè)主要的回流區(qū)域,一是在燃燒室頭部區(qū)域的較大回流區(qū),二是在噴嘴末端區(qū)域有小尺度富氧/富燃回流區(qū)域形成,回流區(qū)的存在有利于推進(jìn)劑之間的混合。由于噴注角及噴注速度不同,在徑向方向上有較大的速度差,氧噴嘴末端流動(dòng)速度較大,回流區(qū)位置均偏向氧化劑一側(cè)。燃?xì)饣亓麟m然有利于推進(jìn)劑的混合,但會(huì)對(duì)噴注面板的熱防護(hù)產(chǎn)生不利影響[10]。

圖5 噴嘴末端近場(chǎng)流線分布圖

2.2 組分分布

為了進(jìn)一步研究出口層噴嘴寬度對(duì)氣氣摻混的影響,對(duì)燃燒室組分分布進(jìn)行了分析,這里選擇冷流條件下氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布作為判斷依據(jù)。如圖6所示,仿真結(jié)果表明,不同出口層噴嘴寬度下各噴注器摻混效果較好。由于氧氣側(cè)噴嘴面積較大,受回流區(qū)影響在靠近氧化劑噴嘴一側(cè)氧濃度略高。同時(shí)可以看出,在距噴注面板20 mm位置各噴注器結(jié)構(gòu)下氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布不變,摻混已基本完成。

圖6 燃燒室內(nèi)氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

2.3 混合均勻性

圖7為氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差沿燃燒室軸向分布,通過分析燃燒室各截面上氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ來表征該截面上氧氣分布的均勻性程度。σ值介于0～1之間,其值越小混合均勻性越好。對(duì)混合均勻性進(jìn)行判斷時(shí),常以σ＜0.05作為達(dá)到微觀混合均勻的依據(jù)[16]。從圖中可以看到,各噴注器摻混效果均較好,在距噴注面板5 mm處氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差已達(dá)到微觀混合均勻的效果。而對(duì)于L1/L=0.9,由于噴注角較小,混合距離變長(zhǎng),在近噴注器面板附件混合效果略差。還可以看到,在燃燒室出口段基本摻混完全。整體來說,L1/L=0.7在近噴注器區(qū)域摻混效果最好。

圖7 不同截面上氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差沿燃燒室軸向分布圖

3 結(jié)論

通過對(duì)濺板式層板噴注單元的流動(dòng)特性和混合特性進(jìn)行模擬研究,可以得到以下結(jié)論:

(1)不同噴注器下流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不同,噴注角越大,撞擊點(diǎn)離噴注面越近,回流區(qū)位置也越靠近噴注面;

(2)不同出口層噴嘴寬度下各噴注器摻混效果均較好。由于氧氣側(cè)噴嘴面積較大,受回流區(qū)影響在靠近氧化劑噴嘴一側(cè)氧濃度略高;

(3)不同出口層噴嘴寬度下?lián)交煨Ч^好,在燃燒室出口段已基本摻混完全?？傮w來說,工況L1/L=0.7在近噴注器區(qū)域摻混效果最好。