運(yùn)載火箭增壓管路隨機(jī)性壓力跳變機(jī)理及試驗(yàn)驗(yàn)證

周智勇，岳 婷,2，陳二鋒,2，劉春姐

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 深低溫技術(shù)研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100076）

0 引 言

常規(guī)在役液體運(yùn)載火箭一級(jí)燃增壓系統(tǒng)均采用燃?xì)庾陨鰤海萌▽?shí)現(xiàn)地面溢出排氣與箭上增壓管路的共用，如圖1所示。三通入口為自生增壓管、出口一端與箱內(nèi)溢出管連接，另一端與安溢閥連接。當(dāng)燃箱壓力高于安溢閥打開(kāi)壓力時(shí)，貯箱自動(dòng)泄壓。

圖1 增壓溢出管路結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Pressurizing and Over-flowing Pipeline Structure

飛行遙測(cè)數(shù)據(jù)表明，約30%發(fā)次（統(tǒng)計(jì)約50余次）的燃增壓管入口壓力曾發(fā)生過(guò)壓力跳變現(xiàn)象，即入口壓力在工作段某一時(shí)刻陡增并維持該壓力水平一段時(shí)間，典型的一級(jí)燃增壓路入口壓力跳變現(xiàn)象如圖2所示。該壓力跳變現(xiàn)象具有如下特點(diǎn)：a）上游自發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)的燃?xì)饬髁?、溫度無(wú)明顯變化，下游貯箱壓力無(wú)明顯變化；b）壓力跳變現(xiàn)象發(fā)生時(shí)間具有隨機(jī)性，持續(xù)時(shí)間也具有隨機(jī)性；c）壓力跳變量級(jí)約0.04～0.05 MPa。

圖2 典型跳變現(xiàn)象Fig.2 Typical Pressure Jump

該一級(jí)燃增壓管路飛行過(guò)程中上下游邊界無(wú)明顯變化，而在管路局部產(chǎn)生隨機(jī)性的壓力跳變，這種現(xiàn)象與傳統(tǒng)上關(guān)于管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)是“確定性”流動(dòng)的認(rèn)知不符，因此，有必要開(kāi)展詳細(xì)的機(jī)理分析，探究其管路隨機(jī)性壓力跳變的問(wèn)題根源及抑制方案，避免對(duì)貯箱增壓效能產(chǎn)生非預(yù)期的后果。

本文針對(duì)一級(jí)燃增壓路的壓力跳變現(xiàn)象，通過(guò)理論分析、數(shù)值仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了復(fù)雜管路內(nèi)存在的流動(dòng)多解現(xiàn)象及螺旋流流型，從機(jī)理上復(fù)現(xiàn)了復(fù)雜管路內(nèi)的壓力跳變現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，提出了在管路中增加隔板的抑制方案，有效消除了燃?jí)毫β分械碾S機(jī)性壓力跳變現(xiàn)象，并已通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 研究現(xiàn)狀

通過(guò)調(diào)研，圓管內(nèi)的流動(dòng)除了常見(jiàn)的正常流型外，還存在一種特殊的流動(dòng)形式——螺旋流，如圖3所示。螺旋流由于介質(zhì)在管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)特性，在工業(yè)中常被用于強(qiáng)化換熱、清洗污垢。一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)上螺旋流通常由渦流發(fā)生器（切向進(jìn)流、安裝導(dǎo)流片或旋轉(zhuǎn)管道）產(chǎn)生。通過(guò)在換熱管進(jìn)口端安裝一根塑料螺旋紐帶裝置，利用流體自身的動(dòng)能使扭帶旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生螺旋流，不斷地刮掃和撞擊管內(nèi)壁，從而達(dá)到清洗管內(nèi)污垢、抑制污垢沉積和強(qiáng)化傳熱的目的。

圖3 圓管內(nèi)的兩種典型流型Fig.3 Two Typical Flow Patterns in Circular Tubes

除渦流發(fā)生器外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一些特殊的管路結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生螺旋流。日本白百合女子大學(xué)Kiyoshi Horii等用空氣作為流動(dòng)介質(zhì)，針對(duì)幾種裝置在特定數(shù)條件下，用粒子顯示出管內(nèi)存在非常穩(wěn)定的強(qiáng)螺旋流現(xiàn)象。北京大學(xué)湍流研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的熊鰲魁等通過(guò)一種裝置開(kāi)展了水介質(zhì)的驗(yàn)證試驗(yàn)，提出了不對(duì)稱(chēng)的雙渦在相互作用后卷并為一個(gè)渦，并形成了穩(wěn)定的強(qiáng)螺旋流現(xiàn)象。然而，上述裝置為何會(huì)產(chǎn)生螺旋流以及管道結(jié)構(gòu)形狀、幾何參數(shù)對(duì)螺旋流的形成與發(fā)展有何影響卻不甚清楚，除Horii等作過(guò)系列研究外，未見(jiàn)報(bào)道。Horii雖也試圖解釋這種流動(dòng)現(xiàn)象，如初步認(rèn)為Coanda效應(yīng)與流動(dòng)不穩(wěn)定性是產(chǎn)生螺旋流的原因，然而根據(jù)還不充分。

2 燃增壓管入口壓力跳變現(xiàn)象仿真分析

2.1 研究對(duì)象

常規(guī)在役液體運(yùn)載火箭一級(jí)燃增壓及溢出管系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的燃?xì)馔ㄟ^(guò)底端的自生增壓管入口進(jìn)入管系，經(jīng)溢出管入口進(jìn)入燃箱，自生增壓管內(nèi)徑63 mm，通過(guò)三通與溢出管連接，三通主路內(nèi)徑104 mm，三通另一端連接安溢閥；溢出管內(nèi)徑100 mm，中心長(zhǎng)度9 m。

2.2 仿真模型

采用商用流體力學(xué)計(jì)算軟件ANSYS CFX / Fluent，湍流模型采用RNG-模型。介質(zhì)為燃?xì)?，采用理想氣體模型，氣體常數(shù)為472.8 J·(kg·K)，比熱為 2616.88 J·(kg·K)，動(dòng)力粘度為1.90×10Pa·s。

增壓管入口為流量邊界，流量為0.96 kg/s，溫度為593 K；出口為壓力邊界，壓力為0.28 MPa。

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 燃增壓管路中的兩種流型

計(jì)算表明，采用ANSYS CFX 和Fluent兩種軟件，分別采用低階算法（CFX對(duì)流項(xiàng)采用低階格式、Fluent基于壓力算法）和高階算法（CFX對(duì)流項(xiàng)采用高階格式、Fluent基于密度算法），均能得到兩個(gè)完全收斂的穩(wěn)定解。一種為如圖4所示的正常流型，管路流阻為0.041 MPa，由于管路的折彎，使得三通出口處流線有一定的旋轉(zhuǎn)，但在沿管路流動(dòng)的方向上，旋流越來(lái)越弱；三通截面處，未形成明顯的大渦結(jié)構(gòu)；一種為如圖5所示的螺旋流流型，管路流阻為0.078 MPa，與正常流型所不同，該流型在三通內(nèi)形成了一個(gè)明顯的大渦結(jié)構(gòu)，并在溢出管內(nèi)形成穩(wěn)定的螺旋流。當(dāng)流型由正常流過(guò)渡到螺旋流時(shí)，由于增壓管入口流量、溫度未發(fā)生變化，因此燃箱壓力無(wú)變化，但管路局部流阻增加，導(dǎo)致增壓管入口壓力上升，出現(xiàn)“入口壓力跳變”現(xiàn)象。

圖4 增壓管流場(chǎng)云圖（迎風(fēng)格式）Fig.4 Cloud Map of Pressurizing Tube Flow Field (Upwind Scheme)

圖5 增壓管流場(chǎng)云圖（高階格式）Fig.5 Cloud Map of Pressurizing Tube Flow Field (High Resolution Scheme)

續(xù)圖5

2.3.2 兩種流型增壓管路流阻特性分析

取8個(gè)截面的總壓、靜壓及動(dòng)壓分布曲線，見(jiàn)圖6（圖中壓力參考為0.28 MPa）。1～8分別為進(jìn)口截面、三通入口截面、三通出口截面、溢出管的4個(gè)截面（間隔2 m）、出口截面。從圖6中可以看出，流阻損失（即總壓損失）最大處為三通；對(duì)于正常流，從三通入口（63 mm）到三通出口（100 mm）的動(dòng)壓損失明顯，而對(duì)于螺旋流在三通處的旋轉(zhuǎn)加速作用，動(dòng)壓損失相比正常流小。仿真結(jié)果正常流流阻0.041 MPa，螺旋流流阻0.078 MPa；實(shí)際飛行的正常流阻為0.047 MPa，跳變后的流阻約0.093 MPa，仿真結(jié)果與飛行遙測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。

圖6 壓力分布Fig.6 Pressure Distribution

續(xù)圖6

2.3.3 兩種流型安溢閥感知壓力分析

提取安溢閥安裝位置的靜壓分布如圖7所示，從圖7中可以看出，產(chǎn)生螺旋流后，由于產(chǎn)生類(lèi)似管內(nèi)龍卷風(fēng)的效應(yīng)，安溢閥截面中心位置靜壓明顯降低，相比正常流動(dòng)狀態(tài)，最低壓力低約0.033 MPa。根據(jù)安溢閥安裝位置的靜壓分布，可認(rèn)為發(fā)生螺旋流后，安溢閥局部感受壓力降低。

圖7 靜壓分布Fig.7 Static Pressure Distribution

2.3.4 湍流模型對(duì)螺旋流壓力跳變影響分析

通過(guò)調(diào)研及仿真案例，認(rèn)為湍流模式是數(shù)值模擬螺旋流的一個(gè)主要障礙，對(duì)螺旋流的預(yù)測(cè)幾乎暴露了所有現(xiàn)有模式的不足。一般而言，渦粘性模式（標(biāo)準(zhǔn)-、SST、-等）均不能有效反映湍流對(duì)流線彎曲的敏感性，也與螺旋流中顯著的各向異性以及雷諾應(yīng)力與平均變形的主軸不一致的特點(diǎn)不符，所以一般認(rèn)為渦粘性模式不太適用于螺旋的流動(dòng)；雷諾應(yīng)力模式由于增加了6組雷諾應(yīng)力的控制方程，理論上可以有效考慮漩渦的各向異性，但目前發(fā)展仍不太成熟。

目前螺旋流仿真應(yīng)用較多的是采用二階的RNG-模型。RNG-模型是從瞬態(tài)的N-S方程導(dǎo)出的，運(yùn)用了一種叫“Renormalization Group”（RNG）理論的數(shù)學(xué)技巧方法，所以RNG-模型比標(biāo)準(zhǔn)-模型對(duì)瞬變流和流線彎曲影響的預(yù)報(bào)能力得到了加強(qiáng)。

圖4、圖5展示了不同湍流模型對(duì)壓力跳變的計(jì)算結(jié)果，從圖中可看出，RNG-湍流模型對(duì)于螺旋流流型的仿真相比-模型、SST模型相對(duì)精確。不同湍流模型對(duì)壓力跳變的影響如表1所示。

表1 不同湍流模型對(duì)壓力跳變的影響Tab.1 Influence of Different Turbulence Models on Pressure Jump

3 燃增壓管入口壓力跳變復(fù)現(xiàn)及抑制試驗(yàn)

燃增壓管入口壓力跳變復(fù)現(xiàn)以及抑制試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖8，主要由氣源、參試產(chǎn)品、模擬貯箱及電磁閥組排氣系統(tǒng)、電動(dòng)調(diào)節(jié)安溢閥、傳感器壓力采集設(shè)備、安溢活門(mén)處壓力傳感器及壓力采集設(shè)備等組成。地面試驗(yàn)增壓流量為1.86 kg/s，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)安溢活門(mén)模擬件，為管路內(nèi)流場(chǎng)增加擾動(dòng)，同時(shí)采用不同排氣電磁閥個(gè)數(shù)控制貯箱壓力。

圖8 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.8 Test System

3.1 壓力跳變現(xiàn)象地面復(fù)現(xiàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，安溢閥調(diào)節(jié)擾動(dòng)作用下，各試驗(yàn)狀態(tài)均出現(xiàn)隨機(jī)性的增壓管入口壓力異常上升或波動(dòng)幅值增大現(xiàn)象，同時(shí)伴有安溢活門(mén)入口腔壓力下跳現(xiàn)象，典型的入口壓力跳變復(fù)現(xiàn)見(jiàn)圖9，與仿真規(guī)律一致。

圖9 復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Repetition Test Results

3.2 壓力跳變現(xiàn)象抑制試驗(yàn)

在三通主管路內(nèi)增加隔板裝置后結(jié)構(gòu)示意如圖10所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出，增加隔板后，消除了三通內(nèi)介質(zhì)環(huán)向流動(dòng)，增壓管入口壓力、安溢閥側(cè)壓力均無(wú)壓力跳變現(xiàn)象，也從側(cè)面驗(yàn)證了螺旋流流型的存在。

圖10 結(jié)構(gòu)示意Fig.10 Structural Representation

圖11 抑制試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Inhibition Test Results

4 結(jié) 論

本文通過(guò)理論分析、數(shù)值仿真及地面試驗(yàn)，對(duì)常規(guī)在役液體運(yùn)載火箭一級(jí)燃增壓路入口壓力跳變現(xiàn)象開(kāi)展了深入研究，得到了以下結(jié)論：

a）通過(guò)理論及仿真分析，提出燃增壓管路內(nèi)的流動(dòng)多解及螺旋流現(xiàn)象，從機(jī)理上解釋了燃增壓路入口壓力隨機(jī)性跳變問(wèn)題，并通過(guò)了地面復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)的驗(yàn)證；

b）采用多種軟件的不同算法，從仿真角度獲得了一級(jí)燃增壓管路內(nèi)存在的兩個(gè)穩(wěn)定流動(dòng)解，當(dāng)受某特殊擾動(dòng)后，管路內(nèi)流型由正常流動(dòng)突變?yōu)槁菪鳎植苛髯柙黾?，增壓管路入口壓力發(fā)生跳變現(xiàn)象；

c）地面試驗(yàn)表明，在三通主管路內(nèi)增加隔板裝置后，可有效消除增壓管路內(nèi)的螺旋流現(xiàn)象，增壓管入口壓力、安溢閥側(cè)壓力均無(wú)壓力跳變現(xiàn)象，也從側(cè)面驗(yàn)證了螺旋流流型的存在；

d）螺旋流作為一種典型的非線性流體力學(xué)現(xiàn)象，目前初步認(rèn)為由Coanda效應(yīng)與流動(dòng)不穩(wěn)定性產(chǎn)生。在三通、五通類(lèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，流體會(huì)存在向凹表面吸附的趨向，在某種條件下會(huì)形成沿內(nèi)壁的大渦結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致螺旋流的產(chǎn)生，目前的研究多偏重于工業(yè)應(yīng)用，對(duì)內(nèi)部機(jī)理及流場(chǎng)突變條件仍有待進(jìn)一步深入研究。