隔板噴嘴排列方式對(duì)推力室燃燒流場(chǎng)影響研究

馬列波，豐松江，馮　偉，陳　峰，聶萬(wàn)勝（中國(guó)人民解放軍裝備學(xué)院，北京101416）

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隔板噴嘴排列方式對(duì)推力室燃燒流場(chǎng)影響研究

馬列波，豐松江，馮偉，陳峰，聶萬(wàn)勝
（中國(guó)人民解放軍裝備學(xué)院，北京101416）

摘要：針對(duì)液氧煤油液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，采用全尺寸六分之一網(wǎng)格，設(shè)置周期性邊界條件的簡(jiǎn)化模型，計(jì)算得到了噴注器面徑向隔板噴嘴交錯(cuò)排列時(shí)推力室內(nèi)三維非穩(wěn)態(tài)兩相湍流燃燒流場(chǎng)分布，與全尺寸網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了算法與簡(jiǎn)化模型的有效性，并與噴注器面徑向隔板噴嘴直線排列時(shí)推力室燃燒流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，采用全尺寸六分之一網(wǎng)格，也可較好地?cái)?shù)值模擬推力室內(nèi)燃燒流場(chǎng)；徑向隔板噴嘴交錯(cuò)排列，不但有利于延長(zhǎng)煤油和氧氣的混合時(shí)間，使混合更加充分，提高燃燒效率和燃燒室壓力，而且可增加噴嘴空間分布的均勻性，使燃燒室中霧化粒子分布更均勻，從而提高溫度分布的均勻性。

關(guān)鍵詞：液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；噴霧燃燒過(guò)程；全尺寸數(shù)值仿真；隔板噴嘴排列方式

0　引言

液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以其高可靠性、安全性、高經(jīng)濟(jì)性、高性能、無(wú)毒無(wú)污染和維護(hù)使用方便等特點(diǎn)越來(lái)越受到關(guān)注，目前各個(gè)航天大國(guó)都正在開(kāi)展相關(guān)研究［1-2］。其研究方法主要有試驗(yàn)和數(shù)值仿真［3-4］。其中試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，但其周期長(zhǎng)，成本高，獲得的參數(shù)有限，而數(shù)值仿真則可以克服這些不足。在試驗(yàn)研究方面，李龍飛等研究了液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高頻燃燒不穩(wěn)定性及其控制方法等問(wèn)題［5-7］，Dietrich Haeseler等對(duì)富氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器和主燃燒室進(jìn)行了研究［8］，S.Soller等對(duì)單噴嘴氣氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃燒特性和傳熱進(jìn)行了研究［9］，Kevin Miller等則對(duì)同軸旋流式單噴嘴燃燒不穩(wěn)定性進(jìn)行了研究［10］。關(guān)于液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)的仿真多是二維的［11-12］，關(guān)于三維全尺寸的文獻(xiàn)較少，且由于高壓補(bǔ)燃液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸大，噴嘴數(shù)量多，對(duì)其大多進(jìn)行了簡(jiǎn)化以提高計(jì)算效率［13］。

為了抑制液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中存在的高頻不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象，通常采用添加隔板的方式，而不同的隔板噴嘴排列方式將對(duì)推力室燃燒流場(chǎng)產(chǎn)生影響。本文通過(guò)建立液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力室全尺寸網(wǎng)格對(duì)其燃燒流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證計(jì)算模型的有效性。采用全尺寸六分之一網(wǎng)格，設(shè)置周期性邊界條件，分別對(duì)徑向隔板噴嘴交錯(cuò)排列和直線排列的推力室燃燒流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，簡(jiǎn)化計(jì)算模型并研究噴注面板噴嘴排列對(duì)燃燒流場(chǎng)的影響，為推力室噴注面板設(shè)計(jì)等提供參考。

1　計(jì)算模型與數(shù)值方法

液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室噴嘴采用同軸離心式，其中氧氣以氣相從中間噴入，煤油以液相貼噴嘴內(nèi)壁旋流噴入。氣相采用歐拉坐標(biāo)下的N-S方程［14］，其通用形式為：

式中：φ為通用變量，其可代替動(dòng)量、溫度等物理量；Г為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)；式（1）中4項(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散相和源項(xiàng)。

液相采用離散顆粒模型進(jìn)行描述，推進(jìn)劑的霧化過(guò)程通過(guò)霧化錐角、液滴直徑及液滴分布來(lái)描述，采用對(duì)流擴(kuò)散控制的蒸發(fā)模型，考慮到湍流對(duì)氣相燃燒速率的影響，采用k-ε雙方程湍流模型，其可在保證精度的情況下減少仿真計(jì)算量［15］。湍流燃燒化學(xué)反應(yīng)過(guò)程采用Arrenius-EBU（Eddy-Break-Up） 模型來(lái)描述，燃燒控制速率［16-18］：

式中：RArr為由化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制的反應(yīng)速率；REBU為未燃?xì)怏w微團(tuán)在湍流作用下破碎成更小微團(tuán)的速率。所采用的LOX/kerosene單步總包反應(yīng)如下：

C12H23+17.75O2=12CO2+11.5H2O

采用求解非穩(wěn)態(tài)可壓縮流的PISO算法對(duì)湍流兩相燃燒流場(chǎng)進(jìn)行耦合仿真計(jì)算，對(duì)流項(xiàng)采用迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分格式，在近壁區(qū)雷諾數(shù)較低處采用壁面函數(shù)法［19］。

2　網(wǎng)格與邊界條件

2.1網(wǎng)格生成

繪制了徑向隔板噴嘴交錯(cuò)排列噴注器的全尺寸推力室網(wǎng)格（grid 1）。根據(jù)噴注面板噴嘴關(guān)于60°對(duì)稱的排列規(guī)律（圖1），進(jìn)行了全尺寸六分之一模型（即對(duì)稱單元）的選?。磮D1（a）和圖1（b）中兩直線所夾部分），繪制了徑向隔板噴嘴交錯(cuò)排列（grid 2） 與徑向隔板噴嘴直線排列（grid 3）的對(duì)稱單元模型網(wǎng)格。網(wǎng)格模型見(jiàn)圖1，其中隔板噴嘴高度為40 mm。

2.2邊界條件設(shè)置

入口邊界采用質(zhì)量入口，被截掉部分的噴嘴流量按照剩余噴嘴面積的百分比給定，燃燒室壓力試驗(yàn)值為18 MPa，噴嘴壓降為1.2 MPa。推進(jìn)劑霧化參數(shù)噴霧錐角設(shè)為40°，噴入速度設(shè)為18.1 m/s，旋流分?jǐn)?shù)設(shè)為0.5，粒子平均直徑設(shè)為10 μm，粒子分布假設(shè)為均勻分布。出口邊界條件采用壓力出口邊界，燃燒室壁面采用無(wú)滑移絕熱條件。被截平面（即圖1（a）和圖1（b）中直線所投影截面）設(shè)為周期性邊界以保證噴注類型不變。采用網(wǎng)格grid 1，grid 2和grid 3進(jìn)行的推力室燃燒流場(chǎng)仿真所對(duì)應(yīng)的算例分別為case 1，case 2和case 3。監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為（50，0，0）。

圖1　噴嘴排列及網(wǎng)格模型Fig.1　Injection distribution and gird models

3　結(jié)果與討論

3.1計(jì)算模型驗(yàn)證

圖2（a）為case 1與case 2監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥吹絚ase 1監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力穩(wěn)定后其值為16.6 MPa，與試驗(yàn)值18 MPa誤差在7.7%左右，結(jié)果符合較好。圖2（b）為case1推力室燃燒流場(chǎng)噴霧分布，可以清楚地看到煤油的旋流噴霧效果，并且主噴嘴的噴霧錐長(zhǎng)度小于隔板高度，與試驗(yàn)相符。

圖2　case 1和case 2監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線與case1推力室燃燒流場(chǎng)噴霧分布Fig.2　Variation of pressure at case 1 and case 2 monitoring points with time，and combustion fluid field spray distribution in thrust chamber of case 1

3.2幾何模型簡(jiǎn)化

如圖2所示，case 2監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力穩(wěn)定后其值為16.8MPa，與case 1的值僅相差0.2 MPa，誤差為 1.2%。圖3為case 1與case 2兩者在20 ms時(shí)，部分參數(shù)的分布對(duì)比圖。如圖3（a）和3（b）所示，case 1與case 2兩者達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，對(duì)稱面壓力分布規(guī)律基本相同，徑向截面上壓力均值沿軸向變化曲線基本重合。從圖3（c）～圖3（f）中可以看到，溫度及組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布也是基本一致。因此，可以根據(jù)噴注面噴嘴分布規(guī)律，使用對(duì)稱單元網(wǎng)格，設(shè)置周期性邊界條件來(lái)代替全尺寸網(wǎng)格進(jìn)行推力室中氣液兩相湍流燃燒流場(chǎng)的數(shù)值模擬，簡(jiǎn)化模型，提高計(jì)算效率。

圖3　case1與case2推力室燃燒流場(chǎng)參數(shù)分布對(duì)比Fig.3　Contrast between thrust chamber combustion fluid field distribution parameters of case 1 and case 2

3.3徑向隔板噴嘴排列對(duì)燃燒流場(chǎng)的影響

圖4為case 3監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力隨時(shí)間的變化曲線。如圖4所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力穩(wěn)定后其值為16.6 MPa，比case 2小0.2 MPa。二氧化碳是煤油和氧氣燃燒的最終產(chǎn)物，二氧化碳組分的生成量反映了燃燒完成的程度，因此參考文獻(xiàn) ［20］中的做法，以燃燒室徑向截面二氧化碳組分質(zhì)量除以入口推進(jìn)劑總質(zhì)量得到的截面二氧化碳組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)yco2來(lái)評(píng)價(jià)燃燒性能。

圖4　壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.4　Variation of pressure curve with time

圖5為二氧化碳組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿軸向的變化曲線圖。可以看到，在燃燒室頭部，二氧化碳組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，在中前部分其值上升速度較快，在中間部分基本達(dá)到平衡，表明燃燒主要在燃燒室前半段完成。由于距主噴注面40 mm處存在隔板噴嘴入口，有未反應(yīng)的煤油和氧氣進(jìn)入燃燒室，使推進(jìn)劑總質(zhì)量增加，而二氧化碳質(zhì)量不變，因此二氧化碳組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線在40 mm處出現(xiàn)先減小后增加的現(xiàn)象。燃燒達(dá)到平衡時(shí)，case 2的二氧化碳組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于case 3，表明case 2的燃燒效率高于case 3，且推進(jìn)劑的混合更充分。這是因?yàn)楦舭鍑娮旖诲e(cuò)排列，增大了徑向噴嘴之間的距離，使煤油在噴注時(shí)，噴嘴與噴嘴之間霧化錐相互干涉區(qū)域較小，減少了煤油液滴之間的碰撞干涉，增加了煤油霧化蒸發(fā)時(shí)間和噴霧錐長(zhǎng)度，延長(zhǎng)了推進(jìn)劑之間的混合時(shí)間，從而使煤油與氧氣之間混合變得更充分均勻，提高了燃燒效率。

圖5　yco2沿軸向變化曲線Fig.5　Change curves of yco2along axial direction

圖6為燃燒室徑向截面平均反應(yīng)率R沿軸向的變化曲線。在燃燒室頭部case 3的反應(yīng)率要大于case 2，在中前部case 2的反應(yīng)率要大于case 3。表明case 3在頭部處，煤油的霧化蒸發(fā)速度較快，有更多的煤油與氧氣發(fā)生反應(yīng)。這是由于case 3中，徑向隔板噴嘴之間距離較近，煤油霧化形成的噴霧錐相互之間干涉較強(qiáng)，加劇了煤油的霧化蒸發(fā)過(guò)程，使其在更短時(shí)間內(nèi)完成了霧化蒸發(fā)，提高了反應(yīng)率。同時(shí)導(dǎo)致噴霧錐長(zhǎng)度減小，縮短了推進(jìn)劑之間的混合時(shí)間，從而使煤油和氧氣之間的混合效果較差，燃燒效率較低。

圖6　反應(yīng)率沿軸向變化曲線Fig.6　Change curves of rate-reaction along axial direction

圖7為不同截面上的煤油組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)yc12h23分布云圖對(duì)比圖（a） 和溫度分布云圖對(duì)比圖（b）。從圖7（a）中可以看到，在頭部處，case 2中氧氣所占橫截面面積百分比較大且分布更均勻，其煤油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布也更均勻。從圖7（b）中可以看到，在燃燒室的后半段，case 2在截面上的溫度分布更均勻，且低溫區(qū)域比case 3少。表明在case 2中，推進(jìn)劑的粒子分布更均勻。這是由于case 2中徑向隔板噴嘴交錯(cuò)排列，噴注面上的噴嘴空間分布更均勻，即噴嘴與周圍相鄰噴嘴之間的距離更趨于均值，使燃燒室中粒子分布更均勻，從而提高了溫度分布的均勻性。同時(shí)在case 3中推力室頭部的干涉區(qū)域，由于液滴之間相互碰撞，加強(qiáng)了局部區(qū)域推進(jìn)劑的混合效果，破壞了整體粒子分布的均勻性，導(dǎo)致溫度分布均勻性較低。

圖7　case2與case3推力室參數(shù)云圖對(duì)比Fig.7　Contrast between thrust chamber parameter nephograms of case 2 and case 3

4　結(jié)論

通過(guò)使用對(duì)稱單元網(wǎng)格、設(shè)置周期性邊界條件代替全尺寸網(wǎng)格，對(duì)2種隔板噴嘴排列方式的推力室燃燒流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真并對(duì)比結(jié)果，發(fā)現(xiàn)徑向隔板噴嘴交錯(cuò)排列的噴注器，噴嘴的空間分布更均勻，提高了燃燒室中粒子分布的均勻性和溫度分布的均勻性，并且徑向噴嘴之間的距離更大，減小了噴霧錐之間的相互干涉，有利于延長(zhǎng)煤油與氧氣的混合時(shí)間，使之混合更加充分，提高燃燒效率和燃燒室壓力。

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（編輯：馬杰）

中圖分類號(hào)：V434-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-9374（2016）03-0026-07

收稿日期：2016-01-25；修回日期：2016-04-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51206185，91441123）

作者簡(jiǎn)介：馬列波（1992—），男，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

Influence of baffle injection distribution on combustion fluid field in thrust chamber

MA Liebo，F(xiàn)ENG Songjiang，F(xiàn)ENG Wei，CHEN Feng，NIE Wansheng
（Equipment Institute of PLA，Beijing 101416，China）

Abstract:The three-dimensional transient two-phase turbulent combustion flow filed distribution in thrust chamber of LOX/kerosene rocket engine was obtained by using 1/6 of full-scale grid，and setting a simplified model for periodic boundary condition when the radial baffle injection distribution ofinjector was staggered，which is almost the same as full-scale grid computation result.The validityof the algorithm and the simplified model was verified.A comparison with computation result of combustion fluid field in thrust chamber was done when the radial baffle injection distribution of injectors is linear.The result indicates it can also numerically simulate combustion fluid field in thrust chamber well by using 1/6 of full-scale grid；radial baffle injection staggered distribution is not only good for extending the mixing time of LOX/kerosene to make the mixing effect better enough，and improve the combustion efficiency and the pressure of combustion chamber，but also increases the homogeneityof injection space distribution to make atomization particles distribute more uniformly，so that improve the homogeneityoftemperature distribution.

Keywords:LOX/kerosene rocket engine；spray combustion process；full-scale numerical simulation；baffle injection distribution