姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)充填和關(guān)機(jī)傳熱特性

黃 艦，林慶國

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

0 引言

雙組元姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、飛船、深空探測器等飛行器，其工作性能直接影響飛行器壽命、控制精度和安全性等。其中，開關(guān)機(jī)過程是影響發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)特性和可靠性的重要過程。例如真空環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后燃燒室余熱一部分熱返浸到發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器及閥門，結(jié)構(gòu)溫度升高可引發(fā)關(guān)機(jī)后的推進(jìn)劑返腔現(xiàn)象，再啟動(dòng)時(shí)發(fā)生預(yù)點(diǎn)火引起爆燃或急驟流動(dòng)。某型號火箭飛行試驗(yàn)過程中，也出現(xiàn)過發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器爆燃所導(dǎo)致的噴注面板脫落故障。

國內(nèi)外對雙組元姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量研究，其中穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合，但瞬態(tài)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍有差異。例如，Binder等基于RL10建立了瞬態(tài)模型，當(dāng)進(jìn)口狀態(tài)、初始溫度等條件在一定范圍變動(dòng)時(shí)，該模型能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)特性。文獻(xiàn)[8-9]采用推進(jìn)系統(tǒng)庫ESPSS開發(fā)的瞬態(tài)模型在發(fā)動(dòng)機(jī)建壓過程模擬方面還需優(yōu)化改進(jìn)。Sassnick等采用DLR軟件對火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)過程進(jìn)行仿真，無法準(zhǔn)確模擬點(diǎn)火過程。劉昆等開發(fā)的瞬態(tài)過程仿真軟件LRETMMSS只適用于分級燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[12-15]建立通用仿真軟件模擬發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程，但因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以通用仿真軟件難以對發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程不均勻噴注特性進(jìn)行準(zhǔn)確數(shù)值模擬。楊俊等提出判別發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)充填完成的兩種方法，其中介質(zhì)噴出法獲得的充填時(shí)間較曲率水平法更符合實(shí)際情況。此外仿真研究還指出，發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器環(huán)形流道數(shù)值模擬需要考慮彎管效應(yīng)，重整化群-模型比標(biāo)準(zhǔn)-模型更適合計(jì)算彎管流動(dòng)特性。

在冷流實(shí)驗(yàn)研究方面，Gauffre等通過實(shí)驗(yàn)觀察到了噴注器內(nèi)水的充填和泄流過程。李鰲等采用發(fā)光二極管與高速相機(jī)，通過監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)出口液體流出情況來間接測量開關(guān)機(jī)時(shí)間。

為了深入研究姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的開關(guān)機(jī)特性，本文設(shè)計(jì)了透明噴注器試件和冷流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展冷流實(shí)驗(yàn)測量的可視化研究，獲得了清晰的噴注器內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)，對發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)充填和關(guān)機(jī)傳熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了冷流實(shí)驗(yàn)和熱試驗(yàn)證。通過地面狀態(tài)流動(dòng)過程的仿真分析，評估了不同安裝方向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)充填的影響。最后對真空狀態(tài)下采用真實(shí)推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)過程進(jìn)行仿真，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后的推進(jìn)劑蒸氣返腔現(xiàn)象，對于探索姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)機(jī)過程中的流動(dòng)現(xiàn)象具有工程實(shí)用價(jià)值。

1 冷流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理圖

噴注器采用透明的有機(jī)玻璃制作，包括法蘭、分配板、噴注芯體、過渡段等，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)零件實(shí)物圖

實(shí)物圖及剖面示意圖見圖3。透明噴注器試驗(yàn)件與電磁氣動(dòng)閥通過透明過渡段連接。由于試驗(yàn)件內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，平視觀察時(shí)內(nèi)部流道重疊，難以獲取噴注器內(nèi)部流動(dòng)情況，而采用透明過渡段可以通過俯視來進(jìn)行觀測，能夠較好地獲取內(nèi)部流動(dòng)情況。過渡段內(nèi)包含兩個(gè)通道，分別與閥門和噴注器法蘭上的模擬氧化劑路和模擬燃料路對接，通道長均為40 mm。過渡段上加工有兩圈凹槽，用于放置O形密封圈，保證對接位置密封。

圖3 試驗(yàn)件實(shí)物圖及剖面結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值計(jì)算模型和方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)過程中，其進(jìn)口處雷諾數(shù)≈10，為湍流流動(dòng)，另外在開機(jī)時(shí)推進(jìn)劑充填噴注器流道可能出現(xiàn)瞬時(shí)壓強(qiáng)低于飽和壓強(qiáng)或者關(guān)機(jī)時(shí)熱返浸引起噴注器流道內(nèi)殘余推進(jìn)劑溫度升高，都會(huì)引起推進(jìn)劑相變，所以在數(shù)值模擬中考慮湍流、兩相流及相變模型。

2.1.1 湍流模型

因?yàn)橹卣?模型比標(biāo)準(zhǔn)-模型更適合計(jì)算彎管內(nèi)的流動(dòng)特性，并且能較好地對瞬態(tài)流動(dòng)進(jìn)行模擬，所以湍流模型采用重整化群-模型。

重整化群-模型中，在大尺度上應(yīng)用修正后的黏度項(xiàng)來體現(xiàn)小尺度的影響，其方程和方程為

(1)

(2)

式中：為流體密度；為單位時(shí)間；和分別為湍流動(dòng)能和湍流耗散率；和分別為湍流動(dòng)能和湍流耗散率有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；和為流體速度；為名義黏性系數(shù)；和分別為由層流速度梯度和浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；為在可壓縮流中擴(kuò)散引起的波動(dòng)；1、2、3為常量；為附加項(xiàng)；和為源項(xiàng)。

2.1.2 兩相流模型

兩相流采用流體體積(VOF)模型，其中各流體共用一個(gè)動(dòng)量方程，計(jì)算中每個(gè)單元內(nèi)都記錄各相流體所占體積分?jǐn)?shù)。每增加一相，就引進(jìn)一個(gè)變量，稱為單元內(nèi)該相的體積分?jǐn)?shù)。每個(gè)單元中，所有相的體積分?jǐn)?shù)和為1。

通過求解某一相或多相體積分?jǐn)?shù)連續(xù)方程來跟蹤相間界面，第相體積分?jǐn)?shù)公式為

(3)

式中：為相向相的質(zhì)量傳遞速率；為相向相的質(zhì)量傳遞速率；為源項(xiàng)。

2.1.3 氣液相變模型

對多相流動(dòng)而言，相變?yōu)椴煌嚅g質(zhì)量傳遞的一種方式。當(dāng)推進(jìn)劑發(fā)生蒸發(fā)或凝結(jié)時(shí)，需要考慮相變模型。蒸發(fā)—凝結(jié)過程的質(zhì)量傳遞由蒸氣輸運(yùn)方程確定，其表達(dá)式為

(4)

式中：下標(biāo)v和l分別為蒸氣相和液相；和分別為蒸發(fā)和凝結(jié)過程中對應(yīng)的質(zhì)量傳遞速率。

當(dāng)液相溫度高于飽和溫度時(shí)，蒸發(fā)質(zhì)量傳遞速率表達(dá)式為

(5)

當(dāng)氣相溫度低于飽和溫度時(shí)，凝結(jié)質(zhì)量傳遞速率表達(dá)式為

(6)

式中為蒸發(fā)或凝結(jié)系數(shù)。

2.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

本文分別對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的推進(jìn)劑充填、穩(wěn)態(tài)工作、關(guān)機(jī)后的推進(jìn)劑泄流過程進(jìn)行模擬，各階段模擬采用的模型和網(wǎng)格如下。

冷流實(shí)驗(yàn)計(jì)算模型包括氧化劑流道模型和燃料流道模型，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头抡嬗?jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

根據(jù)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)條件對相應(yīng)邊界條件進(jìn)行設(shè)置，多相流模型包含兩相，主相為空氣，次相為水。

流體計(jì)算模型如圖5所示，將發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑流道、燃料流道和下游燃燒室整合在一起，用于仿真發(fā)動(dòng)機(jī)真空狀態(tài)開關(guān)機(jī)流動(dòng)特性。根據(jù)高模熱試車條件對相應(yīng)邊界條件進(jìn)行設(shè)置,多相流模型包含三相，主相為氮?dú)?，次相為液態(tài)和氣態(tài)的四氧化二氮和一甲基肼。

圖5 真實(shí)模型仿真計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)傳熱特性，建立了包含發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的流固耦合計(jì)算模型，如圖5所示。其中固體結(jié)構(gòu)由電磁氣動(dòng)閥、噴注器和發(fā)動(dòng)機(jī)噴管組成；流體部分包括氧化劑流道、燃料流道以及燃燒室部分流體域，流體介質(zhì)為四氧化二氮和一甲基肼。發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)過程氧閥和燃閥進(jìn)口設(shè)置流量分別為0.368 kg/s和0.223 kg/s，對應(yīng)著穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的額定流量；出口均設(shè)置為壓力出口，混合項(xiàng)靜壓根據(jù)高空試車燃燒室壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性分析

表1 不同計(jì)算模型的合適網(wǎng)格數(shù)目

圖6 壓力分布圖

3 仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究

3.1 瞬態(tài)充填過程計(jì)算方法驗(yàn)證

圖7為氧化劑路充填過程的仿真與實(shí)驗(yàn)對比圖，可以看出仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。實(shí)驗(yàn)過程中，在開機(jī)后7 ms可以觀測到頭部噴射出兩條水柱，而仿真中開機(jī)后6 ms有兩個(gè)噴注孔流出與之對應(yīng)驗(yàn)證了仿真計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。由于法蘭的遮擋，實(shí)驗(yàn)中觀測到的兩條水柱出現(xiàn)時(shí)間稍晚于對應(yīng)的噴注孔流出水的時(shí)刻。

圖7 充填過程的仿真(左)與實(shí)驗(yàn)(右)比對圖

3.2 地面狀態(tài)安裝方向?qū)Τ涮盍鲃?dòng)的影響分析

發(fā)動(dòng)機(jī)開展地面實(shí)驗(yàn)時(shí)，重力作用可能會(huì)引起不同安裝方向的流動(dòng)差異。為此，以氧化劑流道為例，仿真了不同安裝方向下開機(jī)過程氧化劑流道的流動(dòng)情況；安裝方向分別為豎直向上安裝狀態(tài)、水平安裝狀態(tài)和豎直向下安裝狀態(tài)。仿真表明，不同安裝方向下發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑路充填完成時(shí)刻基本相同(豎直向上安裝時(shí)充填3.5 ms，水平安裝時(shí)充填3.6 ms，豎直向下安裝時(shí)充填3.5 ms)，充填時(shí)間相差均不超過0.1 ms；這說明發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝方向?qū)ρ趸瘎┞烦涮畹挠绊戄^小。

3.3 地面狀態(tài)充填流動(dòng)過程動(dòng)態(tài)分析

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑路充填動(dòng)態(tài)示意圖

3.4 關(guān)機(jī)后非穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算方法驗(yàn)證

熱試車實(shí)驗(yàn)條件為模擬的真空環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)主要工況參數(shù)氧化劑閥門和燃料閥門進(jìn)口額定流量分別為0.368 kg/s和0.223 kg/s，焊縫溫度和噴管喉部溫度穩(wěn)態(tài)值分別為1 000 K和1 200 K。根據(jù)高模熱試車結(jié)果，將穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)作為關(guān)機(jī)的初始狀態(tài)進(jìn)行關(guān)機(jī)過程仿真計(jì)算，圖9為關(guān)機(jī)后140 s內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器溫度變化曲線的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖9 關(guān)機(jī)后發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器溫度變化曲線

3.5 真空狀態(tài)關(guān)機(jī)后推進(jìn)劑泄流過程

真空狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后，考慮到背壓過低，噴注器流道內(nèi)的殘余推進(jìn)劑會(huì)發(fā)生相變，并通過蒸發(fā)的形式向外排出。本文計(jì)算了氧化劑和燃料單獨(dú)存在時(shí)的泄流過程。

圖10 泄流過程氣態(tài)氧化劑分布圖

圖11 泄流過程氣態(tài)燃料分布圖

仿真結(jié)果表明，氧化劑路和燃料路開關(guān)機(jī)過程均出現(xiàn)了蒸氣返腔現(xiàn)象。燃料相比氧化劑較難蒸發(fā)，同時(shí)燃料蒸氣相比氧化劑蒸氣更容易出現(xiàn)返腔現(xiàn)象，內(nèi)圈位置相比外圈更容易出現(xiàn)返腔現(xiàn)象。出現(xiàn)返腔現(xiàn)象后部分返腔蒸氣會(huì)發(fā)生凝結(jié)，燃料蒸氣主要凝結(jié)在氧化劑路中心區(qū)集液腔內(nèi)。由于燃料蒸發(fā)緩慢，實(shí)際氧化劑蒸氣并不會(huì)向燃料腔道流動(dòng)。在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作程序時(shí)，需要考慮真空環(huán)境下推進(jìn)劑蒸發(fā)引起的返腔現(xiàn)象，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)機(jī)過程返腔的蒸氣量以及凝結(jié)量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)機(jī)安全可靠工作。

4 結(jié)論

本文通過對姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)充填和關(guān)機(jī)傳熱特性的研究，得出以下結(jié)論。

1)地面狀態(tài)下安裝方向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)充填影響較小。發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)流動(dòng)過程中，不同安裝方向下噴注器氧化劑路充填完成時(shí)刻基本相同，充填時(shí)間相差均不超過0.1 ms。

2)分析瞬態(tài)流動(dòng)仿真結(jié)果，給出了發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器流道的改進(jìn)方向，可適當(dāng)縮小外圈第二層集液環(huán)容積，使得兩層集液環(huán)充填時(shí)間接近并且噴注孔推進(jìn)劑流出時(shí)間較一致，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度。

3)通過考慮低壓相變過程，模擬得到了推進(jìn)劑在關(guān)機(jī)過程中出現(xiàn)了返腔現(xiàn)象，燃料蒸氣相比氧化劑蒸氣更容易出現(xiàn)返腔現(xiàn)象，內(nèi)圈位置相比外圈更容易出現(xiàn)返腔現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)了燃料蒸氣主要凝結(jié)在氧化劑路中心區(qū)集液腔內(nèi)的現(xiàn)象，為發(fā)動(dòng)機(jī)故障評判提供了參考。在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作程序時(shí)，需要考慮真空環(huán)境下推進(jìn)劑蒸發(fā)引起的返腔現(xiàn)象，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)機(jī)過程返腔的蒸氣量以及凝結(jié)量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)機(jī)安全可靠工作。