海平面靜態(tài)時一次火箭沿流道放置位置對RBCC性能的影響

吳亞可, 徐衛(wèi)昌, 黃 威, 胡宗純, 劉曉偉, 石 磊

(1 火箭軍工程大學士官學院, 山東青州 262500; 2 中國航天科技集團公司西安航天動力研究所, 西安 710100; 3 西北工業(yè)大學, 西安 710072)

0 引言

擁有低速或者零速啟動能力是RBCC(rocket based combined cycle)最顯著的特色和優(yōu)勢。海平面靜態(tài)時,一次火箭沿流道的安裝位置決定了抽吸引射的位置和流道中二次燃燒放熱位置,因此探究其安裝位置變化帶來的影響至關重要。

從公開發(fā)表的文獻資料看,當前關于一次火箭對RBCC零速引射性能影響的研究工作,基本上都是基于定幾何發(fā)動機構型,大多僅考察了一次火箭工作狀態(tài)變化對零速引射性能的影響[1-7]。文獻[5]雖然利用搭建的地面火箭引射冷流試驗系統(tǒng),研究了火箭引射發(fā)動機進氣系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性,但受限于當時的試驗條件,試驗中僅利用出口堵塞的方法模擬燃燒加熱,其進氣系統(tǒng)也僅僅是矩形等直段,并不是真正意義的進氣道構型,因此不能夠全面深入考量海平面靜態(tài)時一次火箭的工作對RBCC性能的影響。

因此,文中基于設計點為亞燃模態(tài)的RBCC進氣道/燃燒室一體化構型,開展了進氣道/燃燒室一體化數(shù)值模擬工作,全面分析海平面靜態(tài)時一次火箭沿流道位置的變化對RBCC引射性能的影響。

1 研究采用的RBCC構型

文中研究采用的RBCC構型(如圖1所示)為典型的側壁凸臺式構型(參考文獻[7-10]設計構型的改進型),其巧妙地利用了進氣道后、燃燒室入口前的突擴臺階,將一次火箭置于流道之中,計算區(qū)域選擇為單模塊的四分之一。一次火箭沿流道的位置變化如圖2所示,進氣道上唇口位于X=75.44 mm,一次火箭沿流道位置分別為X=408 mm、X=558 mm、X=708 mm和X=858 mm。

文中研究利用化學平衡法(計算軟件為NASA開發(fā)的CEA軟件[11-12])對采用氣氧/酒精(無水乙醇)組合的一次火箭進行了熱力計算。在氧燃比=1.2時,燃燒室溫度(2 912 K)可控,且又有足夠的CO可供二次燃燒使用,因此選擇的一次火箭工況為氧燃比為1.2,每臺一次火箭的流量調(diào)節(jié)范圍為0.05～0.25 kg/s,燃氣組分的質(zhì)量分數(shù):CO為43%、H2O為35%、CO2為19%、H2為3%(H2組分為H、H2和OH折算而來)。

2 數(shù)值模擬算法及校驗

文中的數(shù)值模擬工作,利用在連續(xù)相控制方程(包含質(zhì)量、動量、能量和組分輸運方程)中加入化學反應源項的方法來描述流道內(nèi)的燃燒流動;利用SSTk-ω湍流模型來保證對自由剪切層及分離流動具有較高的模擬精度;采用通用有限速率模型來模擬化學反應,反應速率是以源項的形式出現(xiàn)在組分輸運方程中,對反應速率的計算采用的是層流有限速率模型;利用雷諾時間平均(reynolds-averaged navier-stokes,RANS)的方法對控制方程進行求解,以方便快速評估RBCC在零速引射時的性能[7,10]。

表1給出了文中計算構型的邊界條件。圖3顯示了網(wǎng)格劃分情況,本研究選取計算區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)約75萬(一個發(fā)動機模塊的四分之一,當一次火箭位置前置時,網(wǎng)格數(shù)量會有所增加),盡管此網(wǎng)格數(shù)相對稀疏,但依然對壁面、突擴區(qū)域和火箭射流邊界進行了網(wǎng)格加密處理。

表1 本研究計算構型各種邊界對應的輸入?yún)?shù)

由圖3(e)可知,距離壁面最近的第一層網(wǎng)格均位于對數(shù)層內(nèi)(30

文中基于德國HerrMann等人的進氣道相關數(shù)據(jù)[13]進行了數(shù)值模擬,用以校驗算法。圖4給出了模擬對比結果,可以發(fā)現(xiàn),模擬結果和實驗結果有很高的吻合度。此外,還選擇了典型的RBCC直連試驗數(shù)據(jù)[10]用于算法的校驗。通過圖5的壓力曲線可見,本研究CFD獲得的壓力曲線與實驗測得的流道壓力曲線有很高的吻合度。這些都說明所用的數(shù)值模擬算法可信、正確。

3 計算結果分析

下面從進氣性能、推力及比沖性能分析一次火箭位置后移帶來的影響。分析進氣量和內(nèi)推力時,均除以一次火箭位于X=408 mm、流量為0.05 kg/s時對應的引入空氣量和內(nèi)推力進行對比分析,而分析比沖時,則與氣氧/酒精一次火箭的海平面比沖(約為260 s)進行比較。

3.1 一次火箭位置變化對進氣系統(tǒng)的影響

圖6顯示了海平面靜態(tài),在不同的一次火箭安裝位置,引入空氣量隨一次火箭流量增加的變化情況,可以看出以下規(guī)律:

1)對于不同的一次火箭安裝位置,引入空氣量隨一次火箭流量增加的變化規(guī)律不一致。當一次火箭位于X=558 mm和708 mm時,隨著一次火箭流量的增加,引入空氣量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢;當一次火箭位于X=408 mm時,對應的引入空氣量則隨一次火箭流量的增加而一直減少;當一次火箭位于X=858 mm時,引入空氣量則隨一次火箭流量的增加而一直增大。

2)對于相同的一次火箭流量,引入空氣量隨一次火箭位置后移的變化規(guī)律不一致。當一次火箭流量為0.05 kg/s、0.10 kg/s和0.15 kg/s時,對應的引入空氣量均隨一次火箭位置后移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢;而當一次火箭流量為0.2 kg/s和0.25 kg/s時,對應的引入空氣量均隨一次火箭位置后移呈現(xiàn)出一直增大的趨勢。

通過圖7至圖10中RBCC流道內(nèi)的壓力曲線可以解釋上述規(guī)律。海平面靜態(tài)引射時,外界大氣在一次火箭抽吸引射的作用下流入進氣道,因為是亞音速流動,壓力越低,流速越快,對應的引入空氣量就越多。

從圖7可以看出,當一次火箭位于X=408 mm位置時,隨著一次火箭流量的增加,進氣道內(nèi)的壓力水平不斷升高,也就是說,引入空氣量不斷降低。而從圖8和圖9則可以看出當一次火箭位于X=558 mm和708 mm時,隨著一次火箭流量的增加,進氣道內(nèi)的壓力水平先降低至對應的最低水平,然后再升高,剛好與引入空氣量隨著一次火箭流量的增加而呈現(xiàn)出的先增大后減小的趨勢相對應。從圖10可以看出當一次火箭位于X=858 mm時,隨著一次火箭流量的增加,進氣道內(nèi)的壓力水平一直降低,剛好與此時的引入空氣量隨著一次火箭流量增加而增大的趨勢相對應。

綜上可知,一次火箭沿流道后移對進氣系統(tǒng)的影響比較復雜,且與一次火箭流量的大小高度相關。

3.2 一次火箭位置變化對推力和比沖的影響

圖11和圖12分別顯示了海平面靜態(tài),一次火箭安裝位置變化時,RBCC內(nèi)推力和比沖隨一次火箭流量增加的變化情況,從圖可以看出以下規(guī)律:

1)在所有的一次火箭安裝位置,隨著一次火箭流量的增加,RBCC的內(nèi)推力不斷增加,而比沖則不斷降低。

2)當一次火箭流量保持不變時,隨著一次火箭位置后移,推力和比沖均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。

3)從圖12還可以看出,當一次火箭后移時,可以保證RBCC的比沖盡可能的大于一次火箭的海平面比沖,使RBCC獲得推力增益的工作范圍擴大,達到整體性能最優(yōu)。

4 結論

通過文中的研究分析,可以看出,一次火箭沿流道放置位置對RBCC零速引射性能的影響比較復雜:

1)就進氣系統(tǒng)而言,隨著一次火箭位置后移,對應的引入空氣量隨一次火箭流量增加而呈現(xiàn)出的整體變化規(guī)律不一致;在不同的一次火箭流量下,對應的引入空氣量隨一次火箭位置后移而呈現(xiàn)出的整體變化規(guī)律也不一致。也就是說,一次火箭沿流道后移對進氣系統(tǒng)的影響比較復雜,且與一次火箭流量的大小高度相關。

2)就推力和比沖性能而言,隨著一次火箭位置后移,不同的一次火箭流量下,對應推力和比沖的變化趨勢高度一致,均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。也就是說,一次火箭沿流道后移對RBCC推力和比沖性能的影響一直比較積極。

3)綜合考慮,海平面靜態(tài),當RBCC為了獲得較高的推力水平而需要一次火箭大流量工作時,一次火

箭的位置應盡可能沿流道后移,以保證RBCC的整體性能最優(yōu)。

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