低溫節(jié)流閥流動過程數(shù)值模擬和實驗研究

肖潤鋒 田 桂 陳 良 侯 予 陳雙濤

（1 西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 西安 710049）

（2 上?？臻g發(fā)動機(jī)工程技術(shù)研究中心,上?？臻g推進(jìn)研究所 上海 201112）

1 引 言

低溫推進(jìn)劑在軌存儲是深空探測、空間站建設(shè)、載人登月計劃和火星計劃等航天工程所必須的關(guān)鍵技術(shù)。對于低溫推進(jìn)劑TVS,大部分研究集中于系統(tǒng)性能測試和仿真、推進(jìn)劑噴射與混合過程以及微重力下貯箱內(nèi)低溫推進(jìn)劑的相態(tài)和溫度分布的數(shù)值模擬等方面。在實驗測試方面,從20 世紀(jì)60 年代開始,美國劉易斯研究中心（現(xiàn)為格林研究中心Glenn Research Center,簡稱GRC）、約翰遜空間中心（Johnson Space Center,簡稱JSC）、MSFC 等機(jī)構(gòu)都長期進(jìn)行著發(fā)展空間低溫流體管理技術(shù)的相關(guān)研究[1]。中國國內(nèi)方面,近些年,中國航天科技集團(tuán)有限公司相關(guān)研究所、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位開展了大量的數(shù)值研究[2-5],并開展了地面驗證實驗,主要使用R123 和R141b 等常溫工質(zhì)[6-8]。目前,對于J-T節(jié)流裝置的研究相對不足,主要由美國NASA 相關(guān)部門開展了實驗研究[9-10]。低溫流體的空化流動與常溫流體有很大區(qū)別,低溫流體的空化機(jī)理尚未有明確而又完整的理論體系。無論在實驗研究還是數(shù)值模擬,低溫流體的空化現(xiàn)象研究仍有很多工作需要進(jìn)行。

本研究對微通道節(jié)流閥內(nèi)低溫工質(zhì)減壓流動及空化過程進(jìn)行數(shù)值模擬。構(gòu)建節(jié)流閥內(nèi)復(fù)雜微細(xì)通道三維模型,結(jié)合兩相流模型和空化模型,充分考慮低溫工質(zhì)物性和焦湯節(jié)流效應(yīng),開展低溫液體空化流動數(shù)值模擬,探究節(jié)流閥內(nèi)低溫液體空化誘因、空化流動特性和節(jié)流制冷效應(yīng)。同時基于低溫兩相流動實驗平臺,進(jìn)行低溫液氮、甲烷的節(jié)流閥流量特性和制冷效應(yīng)實驗測試,獲得壓降-流量特性和溫降特性數(shù)據(jù)。

2 理論模型

采用Mixture 均質(zhì)平衡流理論模型,將流場中液相與汽相看作單一混合介質(zhì),兩相具有相同的壓力與速度分布,只是通過密度場和各相體積分?jǐn)?shù)來描述各相的空間分布,該模型中引入體積分?jǐn)?shù)表示各相的體積分?jǐn)?shù)。采用的空化模型為Zwart 修正模型[11],Zwart 模型主要建立了汽相體積分?jǐn)?shù)運輸方程:

式中:蒸汽的生成和凝結(jié)源項,在Zwart 模型基礎(chǔ)上,將溫度對質(zhì)量傳輸過程的影響加入模型之中,考慮了低溫流體的熱力學(xué)效應(yīng)。具體模型如下:

式中:RB為空化流體的汽泡半徑（本文取值10-6m）;αnuc為非凝結(jié)氣體體積分?jǐn)?shù)（本文取0.000 5）;Fvap為蒸發(fā)系數(shù)（本文取5）;Fcond為凝結(jié)系數(shù)（本文取0.001）。

采用商用CFD 軟件ANSYS FLUENT 進(jìn)行數(shù)值模擬計算。采用COUPLED 算法進(jìn)行迭代計算,為了提高計算的收斂性,進(jìn)行偽穩(wěn)態(tài)計算,時間尺度因子為1。壓力項采用PRESTO 格式,動力項與體積分?jǐn)?shù)項采用一階迎風(fēng)格式,湍動能項、湍流耗散項以及能量項采用二階迎風(fēng)格式。物理模型包含進(jìn)出口以及固體壁面,進(jìn)口以及出口條件設(shè)為壓力邊界條件,固體壁面設(shè)為絕熱邊界條件。數(shù)值模擬中的連續(xù)性方程、動量方程、速度項、湍流項以及汽液分?jǐn)?shù)項的殘差都設(shè)置為10-6。

彎折型微通道節(jié)流閥包含13 組串聯(lián)側(cè)進(jìn)、孔進(jìn)閥芯,閥芯直徑4.76 mm,單片閥芯厚度0.2 mm,閥芯微通道寬度0.2 mm,閥芯中間流道直徑為1 mm,具體結(jié)構(gòu)如圖1a 所示。由于整個微通道節(jié)流閥閥芯是一個軸對稱結(jié)構(gòu),為了減少計算量,可以選取其中的1/6 作為數(shù)值計算的模型。旋轉(zhuǎn)型微通道節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1b 所示,閥芯由6 個旋轉(zhuǎn)單元組成,旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)大圓直徑2 mm,厚0.8 mm,小圓直徑1.2 mm,厚0.3 mm,連接直道寬0.7 mm,厚0.8 mm,中間流道直徑1.2 mm。

圖1 微通道節(jié)流閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of microchannel throttle valve

3 數(shù)值模擬理論分析

對Hord 水翼實驗的290C 進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,如圖2 所示?？梢钥闯鰯?shù)值模擬結(jié)果與水翼實驗結(jié)果吻合較好。整個水翼表面的壓力和溫度分布趨勢與實驗測得的數(shù)據(jù)相似,證明了本研究采用的數(shù)值模型具有一定的有效性,可以模擬低溫流體的空化現(xiàn)象。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比Fig.2 Comparison of numerical simulation and experimental

不同工質(zhì)在節(jié)流閥內(nèi)的流動特點有所不同,對于甲烷、氧的模擬,采用與氮相同的進(jìn)口工況,進(jìn)口壓力為8×105Pa,進(jìn)口過冷度為2 K,3 種工質(zhì)在節(jié)流閥內(nèi)的干度分布如圖3 所示。由圖可知:氮、甲烷、氧在節(jié)流閥內(nèi)汽相體積分?jǐn)?shù)分布整體趨勢均為從入口到出口逐漸升高。但不同的是:氮在前兩個旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)幾乎沒有汽相產(chǎn)生,而甲烷與氧則在第一個旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)的便出現(xiàn)了一定量的氣態(tài)。氮與氧在節(jié)流閥內(nèi)汽液分布較為均勻,汽相含量層層遞進(jìn),而甲烷在節(jié)流閥內(nèi)的汽液分布較為混亂,空化現(xiàn)象較為嚴(yán)重,這種現(xiàn)象可以從物性的角度來分析。甲烷的dP/dT為0.039（0.8 MPa 下）,而液氮的dP/dT為0.055（0.8 MPa 下）,液氧的dP/dT為0.050（0.8 MPa 下）。因此在相同的進(jìn)口過冷度（2 K）下,甲烷降到飽和壓力所需壓降更小,更先出現(xiàn)汽相。而汽相的出現(xiàn)也使得甲烷在節(jié)流閥前端的壓降占比較大。同時,氮和氧的液/汽密度比要大于甲烷,在相同液體汽化的情況下,甲烷產(chǎn)生的氣體體積更大,使得汽液分布更為混亂。

圖3 氮、甲烷、氧在節(jié)流閥內(nèi)干度分布云圖Fig.3 Vapor quality distribution of nitrogen,methane and oxygen in the throttle valve

4 低溫節(jié)流閥流動過程實驗研究

基于低溫兩相流動實驗系統(tǒng),對彎折型、旋轉(zhuǎn)型兩種節(jié)流閥進(jìn)行實驗研究,探究微通道節(jié)流閥的節(jié)流特性以及流量特性。實驗系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。采用液氮與甲烷兩種工質(zhì)進(jìn)行實驗研究,液氮的閥前壓力范圍為0.5—2.1 MPa,閥前過冷度范圍為0—30 K;甲烷的閥前壓力范圍為0.5—2.0 MPa,閥前過冷度范圍為0—45 K。

圖4 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of experimental system

流量特性是微通道節(jié)流閥十分重要的一個性能參數(shù),本研究通過實驗數(shù)據(jù)擬合關(guān)于干度、壓降以及過冷度的質(zhì)量流量關(guān)系式。由實驗數(shù)據(jù)擬合的彎折型、旋轉(zhuǎn)型節(jié)流閥質(zhì)量流量關(guān)系式分別為:

式中:質(zhì)量流量的單位為g/s,由實驗數(shù)據(jù)擬合的質(zhì)量流量關(guān)系式的R2為0.97,圖5 顯示彎折型節(jié)流閥流量計算值與實驗值偏差小于5% 。圖6 為兩個旋轉(zhuǎn)節(jié)流閥流量擬合計算值與實驗值的對比圖,改進(jìn)后的模型可以將偏差有效的控制在20% 以內(nèi)?？傊?擬合的質(zhì)量流量關(guān)系式與實驗數(shù)據(jù)吻合較好,可以作為微通道節(jié)流閥設(shè)計的理論依據(jù)。

圖5 彎折型節(jié)流閥流量擬合計算值與實驗值對比Fig.5 Comparison of calculated value and experimental value of mass flow in zigzag throttle valve

圖6 旋轉(zhuǎn)型節(jié)流閥擬合計算值與實驗值對比Fig.6 Comparison of calculated value and experimental value of mass flow in swirling throttle valve

液氮實驗數(shù)據(jù)擬合的質(zhì)量流量關(guān)聯(lián)式同樣適用于甲烷工質(zhì),將甲烷工質(zhì)的實驗數(shù)據(jù)與公式擬合值進(jìn)行對比,兩者偏差如圖7 所示,由圖可知:實驗測得的甲烷流量與公式擬合的流量兩者相差不超過30%,說明液氮擬合的質(zhì)量流量公式同樣適用于甲烷工質(zhì)。

圖7 甲烷工質(zhì)流量的實驗與擬合結(jié)果對比Fig.7 Comparison of calculated value and experimental value of methane mass flow in throttle valve

5 總 結(jié)

本研究對彎折型、旋轉(zhuǎn)型微通道節(jié)流閥進(jìn)行數(shù)值模擬與實驗研究,研究了液氮、液氧和甲烷在微細(xì)通道內(nèi)的空化流動特性。并通過實驗數(shù)據(jù)擬合出關(guān)于節(jié)流閥壓降、進(jìn)口過冷度的質(zhì)量流量關(guān)系式,可以準(zhǔn)確預(yù)測節(jié)流閥的流量特性。主要結(jié)論如下:

（1）甲烷工質(zhì)由于其汽化壓強(qiáng)對溫度的低靈敏度、大汽化潛熱、小液/汽密度比等物性因素,在第一個旋轉(zhuǎn)單元就出現(xiàn)了汽相,并且汽液分布較為混亂;而液氮在節(jié)流閥的最后兩個旋轉(zhuǎn)單元才出現(xiàn)大面積汽化現(xiàn)象,且汽液分界規(guī)律較為明顯,可見甲烷工質(zhì)在微通道節(jié)流閥內(nèi)的空化程度比液氮嚴(yán)重。

（2）通過實驗數(shù)據(jù)擬合出關(guān)于節(jié)流閥壓降、進(jìn)口過冷度的質(zhì)量流量關(guān)系式,關(guān)系式適用于液氮與甲烷工質(zhì),計算值與實驗值偏差小于20%,可以準(zhǔn)確預(yù)測節(jié)流閥的流量特性。