添加減阻劑的火箭煤油流阻與傳熱特性研究

羅玉宏，游 岳，蔣榕培，孫海云，方 濤，劉朝陽(yáng)

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 航天綠色推進(jìn)劑研究與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100074)

0 引言

液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)作為新一代大推力運(yùn)載火箭的主動(dòng)力，具有密度大、比沖高、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。大推力液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和重型運(yùn)載火箭是未來的技術(shù)發(fā)展方向，但由于推進(jìn)劑的流量增大，不可避免地帶來了從渦輪泵到燃燒室管路流阻大幅增加和泵后負(fù)載大的問題，這給發(fā)動(dòng)機(jī)整體參數(shù)平衡帶來了新的難度。因此，降低高壓高速流動(dòng)時(shí)的火箭煤油管路流阻對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)和總體設(shè)計(jì)具有重要意義。

降低流阻主要有兩種途徑：一是改善與流體接觸的管道邊界，減少邊壁對(duì)流動(dòng)的阻力[1-2]；二是向液體中加入少量的添加劑(稱為減阻劑)，使其影響流體湍流流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來減小阻力[3-5]。鑒于第二種途徑方便，有較大的可行性，現(xiàn)在已成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)問題。目前油溶性減阻劑主要為聚異丁烯、烯烴聚合物等高分子聚合物，有效地解決了管道輸送的減阻問題[6-10]。但到目前為止減阻劑的研究應(yīng)用僅限于原油或成品油的管道長(zhǎng)距離低流速輸送，將減阻劑應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)煤油高流速輸送系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)研究尚處于空白，國(guó)外研究未見公開報(bào)道。

本文模擬液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中煤油在管路中高溫高流速的實(shí)際工況，開展流速在10～60 m/s、溫度20～200 ℃條件下火箭煤油減阻特性研究，并分析減阻劑的添加對(duì)火箭煤油理化性能和傳熱性能的影響規(guī)律，為未來煤油減阻劑在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

原料：火箭煤油減阻劑(JZ-1，JZ-2，JZ-3，分子量JZ-1 > JZ-2 > JZ-3)由北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所制備。

儀器：SVM3000 全自動(dòng)密度粘度測(cè)定儀；FPA-70Xi自動(dòng)冰點(diǎn)測(cè)定儀。

1.2 性能測(cè)試

1.2.1 理化性能測(cè)定

參照《液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用煤油規(guī)范》，采用分析儀器測(cè)試添加減阻劑的火箭煤油的基本理化性能，研究減阻劑對(duì)火箭煤油密度、粘度及結(jié)晶點(diǎn)等理化性能的影響，減阻劑的添加量為0.05%。

1.2.2 減阻性能測(cè)定

采用高流速管道減阻系統(tǒng)測(cè)量減阻劑的減阻率，見圖1。

圖1 減阻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic of drag reduction experimental system

實(shí)驗(yàn)樣品經(jīng)油箱、過濾器后進(jìn)入高壓柱塞泵，泵回路分為主路和旁路系統(tǒng)，旁路裝有調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)閥門開度來控制進(jìn)入主路實(shí)驗(yàn)段的流量，進(jìn)入主路的煤油經(jīng)過質(zhì)量流量計(jì)后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口裝有壓力傳感器，進(jìn)出口壓力傳感器測(cè)量值之差即是實(shí)驗(yàn)件阻力，實(shí)驗(yàn)件采用Φ3×0.5 mm的316不銹鋼管，總長(zhǎng)度為103.5 cm。實(shí)驗(yàn)件出口裝有K型鎧裝熱電偶，測(cè)量出口處流體溫度。管壁上焊接K型熱電偶，每隔5 cm焊接一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。從實(shí)驗(yàn)件出來的煤油經(jīng)過套管換熱器冷卻后進(jìn)入廢油桶。按(1)式計(jì)算火箭煤油減阻劑的減阻率：

(1)

式中：DR為減阻率；ΔP0為基礎(chǔ)條件下管段摩阻壓降；ΔP1為減阻條件下管段摩阻壓降。

1.2.3 傳熱性能測(cè)定

實(shí)驗(yàn)加熱長(zhǎng)度為95.5 cm實(shí)驗(yàn)件水平布置，壁面下部焊有20個(gè)K型熱電偶，熱電偶的布置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)件熱電偶的分布Fig.2 Distribution of thermocouples of test sample

按(2)式計(jì)算火箭煤油傳熱系數(shù)：

(2)

式中：K為傳熱系數(shù)；Q為傳熱速率；A為傳熱面積；ΔTm為平均溫度差。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加減阻劑對(duì)火箭煤油理化性能的影響

火箭煤油是由低分子量烴類組成，而減阻劑為高分子量烴類，添加減阻劑是否對(duì)火箭煤油品質(zhì)產(chǎn)生影響，需對(duì)添加減阻劑火箭煤油理化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 減阻劑對(duì)火箭煤油理化性能的影響(20 ℃)Tab.1 Effect of drag reducer on physical-chemicalproperties of rocket kerosene at 20 ℃

從測(cè)試結(jié)果來看，與火箭煤油相比，添加減阻劑的火箭煤油的密度和結(jié)晶點(diǎn)未發(fā)生明顯改變，而粘度增大；添加減阻劑的火箭煤油的密度、粘度和結(jié)晶點(diǎn)均滿足《液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用煤油規(guī)范》的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求。這表明，0.05%添加量的減阻劑對(duì)火箭煤油的質(zhì)量沒有產(chǎn)生不利影響。

另外，分析了不同溫度下減阻劑對(duì)火箭煤油密度和粘度的影響規(guī)律，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 不同溫度下減阻劑對(duì)火箭煤油密度的影響Tab.2 Effect of drag reducer on density of rocketkerosene at different temperatures

根據(jù)表2，隨著煤油溫度的升高，4種火箭煤油體系的密度均逐漸降低。與同溫度下純火箭煤油相比，添加減阻劑的火箭煤油密度不變。這表明，不同溫度下減阻劑的添加對(duì)火箭煤油的密度不產(chǎn)生影響。

表3 不同溫度下減阻劑對(duì)火箭煤油黏度的影響Tab.3 Effect of drag reducer on viscosity ofrocket kerosene at different temperatures

根據(jù)表3，不同溫度下，與純火箭煤油相比，添加減阻劑的火箭煤油的粘度有所增加，但隨著溫度的升高，粘度增加量降低。這表明，減阻劑的添加在高溫下對(duì)火箭煤油的粘度影響不大。

2.2 流速對(duì)減阻率的影響

首先，在不加熱條件下，對(duì)添加減阻劑的火箭煤油進(jìn)行減阻實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 在15 ℃條件下減阻率與流速的關(guān)系Fig.3 Relationship between drag reduction efficiency and flow velocity when temperature is 15 ℃

根據(jù)圖3所示，3種添加減阻劑的減阻率變化趨勢(shì)不同，其中JZ-1的減阻率先增大后降低，JZ-2的減阻率逐漸降低，JZ-3的減阻率很低且變化不大。這是因?yàn)镴Z-1的分子鏈很長(zhǎng)，分子鏈之間易相互纏繞卷曲，在15 ℃條件下其分子鏈未完全伸展開，隨著高流速剪切力的增大，其分子鏈逐漸伸展至完全伸展開，減阻率逐漸增大至最大，隨著高流速剪切力的繼續(xù)增大，其分子鏈發(fā)生剪切斷裂，減阻率逐漸降低；JZ-2的分子鏈較短，在15 ℃條件下其分子鏈已完全伸展開，隨著高流速剪切力的增大，其分子鏈發(fā)生剪切斷裂，減阻率逐漸降低；JZ-3的分子鏈最短，在15 ℃條件下其分子鏈雖然已完全伸展開，但其分子量低而減阻效果不明顯[11]，隨著高流速剪切力的增大，其分子鏈本身短而不易發(fā)生剪切斷裂至更短，所以其減阻率隨著流速的增大而變化不大。

室溫條件下，流速在20～60 m/s范圍時(shí)，相比純火箭煤油，添加減阻劑的火箭煤油的壓降均降低，降低幅度為JZ-2 > JZ-1 > JZ-3，即減阻率大小為JZ-2 > JZ-1 > JZ-3，其中添加JZ-1后壓差降低了0.8～9.1 MPa，減阻率達(dá)22.1%～46.5%；添加JZ-2后壓差降低了1.9～10.0 MPa，減阻率達(dá)43.1%～51.3%。實(shí)驗(yàn)表明在室溫高流速條件下，JZ-1和JZ-2對(duì)火箭煤油具有很好的減阻效果。

視火箭煤油為不可壓縮流體，忽略壓力對(duì)其密度的影響，即ρ為常數(shù)。假設(shè)在不同壓力條件下，煤油的黏度不發(fā)生變化，即μ為常數(shù)。根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算了4種煤油體系15 ℃下摩擦系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系：

(3)

(4)

其結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4可知，隨著雷諾數(shù)的增大，添加減阻劑的火箭煤油體系的摩擦系數(shù)先降低后趨于穩(wěn)定，其中添加JZ-1或JZ-2的作用比較明顯。

圖4 在15 ℃條件下4種煤油體系摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between friction coefficient and Reynolds number of four kinds of kerosene when temperature is 15 ℃

2.3 溫度對(duì)減阻率的影響

由于火箭煤油需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，其使用溫度在180 ℃左右，所以有必要對(duì)減阻劑在加熱條件下進(jìn)行減阻實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，圖中加熱溫度以管路出口煤油溫度為準(zhǔn)，管路進(jìn)口煤油溫度為15 ℃。

圖5 在流速為50 m/s時(shí)減阻率與出口溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between drag reduction efficiency and outlet temperature when flow velocity is 50 m/s

根據(jù)圖5可知，隨著管路出口火箭煤油溫度的增大，3種添加減阻劑的煤油體系的減阻率先升高后降低，其中減阻率最高的煤油溫度在50 ℃附近。這是由于隨著溫度的升高至50 ℃，減阻劑分子鏈之間相互作用加強(qiáng)，減阻率增加，隨著溫度的繼續(xù)升高，減阻劑分子長(zhǎng)鏈?zhǔn)軠囟鹊挠绊懣赡馨l(fā)生斷裂，減阻率降低[12]。即使如此，在流速50 m/s，溫度175 ℃時(shí)，JZ-1和JZ-2的對(duì)火箭煤油仍具有較高的減阻效果，其中JZ-1的減阻率高達(dá)60.3%，JZ-2的減阻率達(dá)33.1%。

在高溫高流速條件下， JZ-1和JZ-2的對(duì)火箭煤油具有很好的減阻性能。流速50 m/s，溫度在50～175 ℃范圍內(nèi)，減阻效果為JZ-1>JZ-2>JZ-3，其中添加JZ-1后壓差降低10.1～14.1 MPa、減阻率高達(dá)60.3%～76.4%。這是由于在高溫條件下3種減阻劑的分子鏈都完全伸展開，分子量越大，減阻效果就越明顯[11]。

2.4 添加減阻劑對(duì)火箭煤油傳熱性能的影響

減阻劑為高分子鏈狀烴，火箭煤油在流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室換熱通道時(shí)會(huì)歷經(jīng)高溫環(huán)境，在高溫環(huán)境下高分子鏈狀烴有可能影響火箭煤油的傳熱性能。本文對(duì)添加減阻劑的火箭煤油進(jìn)行傳熱研究，確定減阻劑對(duì)火箭煤油傳熱性能的影響程度，結(jié)果如圖6所示，圖6中加熱溫度以管路出口煤油溫度為準(zhǔn)，管路進(jìn)口煤油溫度為15 ℃。

圖6 四種煤油體系流速為50 m/s時(shí)傳熱系數(shù)隨溫度的變化Fig.6 Variation of heat transfer coefficient with outlet temperature when flow velocity of four kinds of kerosene is 50 m/s

根據(jù)圖6可知，減阻劑的添加降低了火箭煤油的傳熱系數(shù)，降低幅度為JZ-1>JZ-2>JZ-3；隨著溫度的升高，減阻劑對(duì)火箭煤油傳熱系數(shù)降低幅度逐漸減小。在流速50 m/s、溫度50 175 ℃范圍內(nèi)，添加JZ-1,JZ-2和JZ-3后火箭煤油傳熱系數(shù)分別下降32.8%～62.1%，8.3%～39.1%和2.9%～20.8%。這說明，高分子減阻劑的添加降低了火箭煤油的傳熱性能，且減阻劑分子量越大，傳熱性能降低幅度越明顯。這可能是高分子減阻劑的添加抑制了渦流的生成，增加了層流底層厚度，導(dǎo)致火箭煤油的傳熱性能降低[13-15]。

3 結(jié)論

本文模擬液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況，在高溫高流速條件下進(jìn)行了火箭煤油減阻特性研究，并分析了減阻劑的添加對(duì)火箭煤油理化性能和傳熱性能的影響規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

1)0.05%添加量的JZ-1，JZ-2，JZ-3對(duì)火箭煤油的質(zhì)量影響較小，滿足《液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用煤油規(guī)范》的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求。

2)減阻劑的添加對(duì)火箭煤油產(chǎn)生明顯的減阻效果，在流速20～60 m/s，溫度50～200 ℃范圍內(nèi)，JZ-1的減阻率高達(dá)60.3.1%～76.4%，JZ-2的減阻率達(dá)33.1%～48.4%；

3)JZ-1，JZ-2，JZ-3的添加抑制了渦流的生成，增加了層流底層的厚度，導(dǎo)致火箭煤油的傳熱阻力增大，傳熱性能下降，且分子量越大傳熱惡化越明顯。后續(xù)需要通過納米流體、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻通道優(yōu)化設(shè)計(jì)等強(qiáng)化傳熱技術(shù)，提高添加減阻劑的火箭煤油體系的傳熱性能。