深寬比對氫氧推力室冷卻通道傳熱特性的影響

王 玨，王 仙，王 召，許曉勇

（1. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076；2. 北京航天動力研究所，北京，100076）

0 引 言

隨著大規(guī)模深空探測活動的不斷拓展，重型運載火箭工程的研制日漸深入，對發(fā)動機推力的要求大幅度提高。大推力高性能氫氧火箭發(fā)動機推力室內的燃氣壓力可達20 MPa以上，燃氣溫度可達3000～4000 K，喉部附近熱流密度最大可達160 MW/m2[1]。為保護氫氧推力室免受強大熱流燒壞的最常用、最有效而經(jīng)濟的辦法是低溫氫再生冷卻。

與傳統(tǒng)的再生冷卻通道相比，高深寬比再生冷卻通道（High Aspect Ratio Cooling Channel，HARCC）（槽高/槽寬的典型值不小于4）通過增加冷卻通道的數(shù)目和冷卻通道的表面積，使更多的熱量從燃氣側壁面以及肋片傳給低溫氫冷卻劑，能在冷卻通道壓降增加較小的情況下明顯降低燃氣側的壁溫[2]。Vulcain發(fā)動機研究表明，推力室氣壁溫每升高40 K則會導致壽命降低約50%[3]，因此HARCC可顯著提高再生冷卻能力，延長氫氧推力室循環(huán)壽命。

對于高深寬比冷卻通道，國外已開展了大量試驗和數(shù)值研究。NASA Lewis研究中心的Wadel等[4～6]研究了7種不同形式的冷卻通道構型在5.5～11 MPa室壓下的傳熱試驗以驗證HARCC的性能優(yōu)勢；Carlile等[7]通過試驗研究了在高壓推力室中采用HARCC提高發(fā)動機壽命和降低壓損的效果；Neuner等[8]以空氣作為工質，采用放大25倍的模型研究了帶有翅片效應的單側加熱矩形HARCC中的流動和傳熱現(xiàn)象；德國宇航研究中心DLR的Suslov和Woschnak等[9]開展了深寬比范圍1.67～30的縮比量熱式推力室氫傳熱試驗研究，試驗室壓4～9 MPa、混合比4.0～6.0，研究了不同深寬比通道的傳熱特性，驗證了高深寬比冷卻通道內的溫度分層現(xiàn)象；Lebail[10]、Marco[11]等對HARCC的傳熱效果和流動細節(jié)進行了數(shù)值模擬。牛祿[12]通過數(shù)值模擬研究了S形再生冷卻通道深寬比對壓力損失、二次流動和紊流強度的影響；吳峰[13]等通過改變再生冷卻通道肋厚度來改變冷卻通道的深寬比，計算并研究了在不同深寬比下推力室再生冷卻通道的傳熱特性及規(guī)律；但尚未有低溫氫冷卻的高深寬比冷卻通道試驗研究的相關報道。

本研究通過采用分區(qū)并聯(lián)組合量熱式縮尺推力室開展了不同室壓和混合比下低溫氫在4種深寬比冷卻通道中的傳熱特性熱試驗研究，得到了不同深寬比冷卻通道結構的傳熱規(guī)律，并與三維數(shù)值模擬結果進行了對比。

1 試驗件

量熱式縮尺推力室如圖1所示，其中試驗圓柱段為分區(qū)并聯(lián)組合的不同深寬比冷卻通道試驗件，其他部分還包括用來組織常溫氣氫和低溫液氧噴注的頭部、組織燃燒以產生高溫高壓燃氣的水冷的收斂擴張型喉部噴管段和用于氫氧點火的火藥點火器。

圖1 量熱式縮尺推力室組成Fig.1 Heat Transfer Test Facility Schematic

為了降低生產和試驗費用，在較少次試驗的基礎之上獲取較多的試驗數(shù)據(jù)，試驗圓柱段采用分區(qū)并聯(lián)結構。此種試驗方式可以在一次熱試驗中考驗多種冷卻結構的傳熱特性，并且可以保證熱邊界相同，不但有效減少了熱試驗的次數(shù)，而且減小了熱試驗的熱工況誤差，提高了傳熱試驗研究的試驗精度。

分區(qū)并聯(lián)試驗件產品如圖2所示，由沿周向均布的互相獨立的4種深寬比銑槽式冷卻通道結構并聯(lián)組成，內壁采用鋯銅材料、外壁采用不銹鋼，內外壁之間通過異種金屬擴散焊連接。4個區(qū)分別都設置進出口管嘴、測量管嘴和測溫系統(tǒng)。試驗件采用氫逆流冷卻方案，即低溫液氫從每個分區(qū)的進口管嘴經(jīng)集合器均流后分別流入各個冷卻通道，沿燃氣逆流方向冷卻內壁后由出口管嘴流出完成對內壁的熱防護。熱試驗時，4個分區(qū)的冷卻氫分別各自單獨提供，并通過各自的氣蝕管進行流量控制。

圖2 分區(qū)并聯(lián)試驗件及4種深寬比冷卻通道結構示意Fig.2 Test Products and the Cooling Channel Schematic

考慮到試驗件冷卻通道的加工工藝性以及全尺寸推力室身部冷卻通道深寬比，分區(qū)并聯(lián)試驗件沿圓周方向的4種冷卻通道深寬比分別為3、6.7、9.6、15。4個象限對應的4種深寬比冷卻通道結構如圖2所示，冷卻通道具體結構參數(shù)如表1所示，4種深寬比冷卻通道截面積相同。熱試驗時，通過對不同冷卻通道結構進出口溫度、壓力和肋條溫度的測量，可以得到不同冷卻通道結構傳熱特性的差異。

表1 分區(qū)并聯(lián)試驗件冷卻通道結構參數(shù)Tab.1 Summary of the Cooling Channel Structure Parameters

2 試驗裝置

2.1 試驗系統(tǒng)

試驗采用擠壓式試驗系統(tǒng)，由量熱式縮尺推力室試驗件、頭部燃燒用液氧系統(tǒng)、頭部燃燒用常溫氣氫系統(tǒng)、試驗件冷卻用液氫系統(tǒng)、試驗件冷卻用常溫水系統(tǒng)、吹除系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等組成，試驗系統(tǒng)及試驗件見圖3。

圖3 試驗系統(tǒng)及試驗件Fig.3 Heat Transfer Test System

2.2 測量裝置

試驗件采用肋條測溫模塊測量肋條不同深度的溫度分布。在分區(qū)并聯(lián)試驗件每個區(qū)的冷卻通道分別設置了2個溫度測量截面，布置了“接觸力可調的肋條測溫模塊”（見圖4），模塊內包含2～4個不同深度的肋條溫度測點，通過在測點處內壁肋條上打不同深度的直徑0.6 mm的孔安裝直徑為0.5 mm的熱電偶測量孔底溫度，實現(xiàn)肋條溫度沿高度方向分布特征的準確測量。熱電偶插入深度最深的距離燃氣內壁面0.5 mm，插入深度最淺的距離燃氣內壁面6 mm，熱電偶被壓緊在孔底且接觸力可調。此外，還測量了每個分區(qū)冷卻氫的流量、進出口壓力及溫度。

圖4 肋條溫度測量示意Fig.4 Wall Temperature Measurement Module Schematic

3 試驗結果及分析

試驗共開展了4次，每次試驗時間約15 s，試驗工況覆蓋室壓為6～7.4 MPa，混合比為5.5～7.2，單區(qū)冷卻氫流量為0.235～0.238 kg/s，冷卻氫入口壓力為7.98～10.7 MPa，入口溫度約35 K。通過測量肋條溫度和冷卻氫溫升及壓降，研究了4種深寬比冷卻通道在不同室壓和混合比下的傳熱特性。熱試驗工況參數(shù)見表2，試驗情況見圖5，試驗壓力曲線見圖6。

表2 熱試驗試驗工況分布Tab.2 Summary of Heat Transfer Test Conditions

圖5 熱試驗情況Fig.5 Hot Fire Test

圖6 試驗壓力曲線Fig.6 Test Pressure Curve

對冷卻通道開展了燃氣-冷卻通道-冷卻劑三維耦合傳熱分析，計算域分為燃氣區(qū)及冷卻通道/冷卻劑區(qū)，分區(qū)計算，邊界耦合。求解時先假定燃氣側氣壁面溫度，然后求解燃氣區(qū)控制方程得到燃氣向壁面的熱流密度，以此熱流密度為邊界條件，再求解冷卻劑與冷卻通道的耦合流動換熱控制方程，得到氣壁面溫度，如此迭代，以獲得穩(wěn)定的熱流密度和氣壁面溫度。冷卻劑及冷卻通道網(wǎng)格如圖7所示。

圖7 各分區(qū)冷卻劑網(wǎng)格及冷卻通道網(wǎng)格Fig.7 Grid of Coolant and Cooling Channel

3.1 不同深寬比結構的傳熱特性

試驗結果表明（見圖8）：

圖8 熱試驗中各區(qū)冷卻劑溫升及壓降Fig.8 Temperature Rise and Pressure Drop of Coolant

a）冷卻劑溫升表現(xiàn)為：TAR15>TAR3>TAR9.6>TAR6.7。對于高深寬比（AR>4）的3個區(qū)，隨著冷卻通道深寬比增加，換熱面積增大，肋條效應增加（由2.4增大至2.8，顯著大于AR3區(qū)的1.97），傳熱效果增強，冷卻劑溫升提高，冷卻通道深寬比AR=15時，冷卻通道換熱能力最強，溫升最高。且深寬比從6.7增大到9.6，再增大到15，冷卻通道換熱面積增長率基本相當（約24%），但傳熱效果即溫升增長率增大，表明在所研究深寬比范圍內深寬比越大，傳熱能力越強。數(shù)值模擬研究結果表明[13]，深寬比并不是越大越好，隨著深寬比的不斷增加，其冷卻效果逐漸趨于飽和，且過大的深寬比會造成傳熱惡化，不利于壁面的冷卻。AR=3區(qū)溫升較高是因為各區(qū)冷卻劑流量總量和單個通道截面積相同而該區(qū)通道數(shù)量顯著少于高深寬比區(qū)，造成通道內冷卻氫流速較高、雷諾數(shù)較大、換熱增強，但相比于較高的深寬比（AR=15），這種增益小于深寬比增大、換熱面積和肋效應增強帶來的效果，這也是高深寬比冷卻通道的換熱能力優(yōu)勢所在。

b）在冷卻劑壓降方面，PAR6.7>PAR15>PAR3>PAR9.6，對于高深寬比（AR>4）的3個區(qū)，隨著冷卻通道深寬比增加，冷卻劑流阻損失先減小后增大，AR=9.6時，流阻最小。這是因為冷卻通道流阻與單個通道內的流量相關，深寬比9.6單通道流量小于6.7，但深寬比大于9.6后傳熱增強，冷卻氫吸收熱量多，溫升高，密度減小，流速增大，故通道流阻增大。而深寬比3區(qū)雖然流速高，但其流動的湍流強度和阻力特性都不如高深寬比區(qū)，導致通道損失不是最大。

多次試驗肋條溫度測量結果如圖9所示，可見高深寬比冷卻通道的肋條和冷卻氫存在明顯的溫度分層現(xiàn)象，且符合測點離燃氣壁面越近溫度越高的客觀規(guī)律。所測得的最高肋條溫度約300 K，與德國DLR試驗室氫傳熱試驗測量結果相當[14]。

圖9 肋條溫度分布Fig.9 Temperature Distribution of Wall Structure

圖10為各分區(qū)冷卻通道截面溫度場分布計算結果，可見溫度沿肋條高度方向顯著減小，沿肋條寬度方向（冷卻劑側往肋條對稱面方向）緩慢增大，溫度在通道近燃氣側中心位置處達到最大，深寬比越大，肋條和冷卻氫的溫度分層現(xiàn)象越明顯。溫度分層的原因在于高深寬比冷卻通道的非對稱加熱的特點。

圖10 各分區(qū)冷卻通道截面溫度場Fig.10 Temperature Distribution of Cooling Channel Section for CFD

圖11為試驗3個不同深度測點肋條溫度熱試結果與數(shù)值模擬結果的對比，肋條溫度變化趨勢計算結果與熱試結果基本一致，插入深度越大、越靠近氣壁，肋條的溫度梯度越大。根據(jù)肋條上距氣壁最近的兩點肋溫按線性外推得到的氣壁溫：TAR6.7>TAR9.6>TAR15，表明深寬比越大氣壁溫越低。深寬比從9.6增大到15，壓降增大最多16%，而氣壁溫降低了約110 K。AR3區(qū)由于肋條高度小、測點少僅有2個且距氣壁面距離相對肋高基本相當，因此不符合線性分布規(guī)律。

圖11 肋條溫度計算結果與試驗結果對比Fig.11 Comparison of Temperature Cooling Channel for Test and CFD

綜上所述，熱試和數(shù)值模擬結果都表明，在相同的冷卻劑流量下，高深寬比冷卻通道（AR15）由于其通道數(shù)量增加，冷卻通道表面積增加，使更多的熱量從燃氣側壁面以及肋片傳給冷卻劑，換熱能力明顯提升，但冷卻劑壓降隨之增大，并且沿肋高方向出現(xiàn)了明顯的溫度分層現(xiàn)象。

3.2 工作參數(shù)對傳熱特性的影響

圖12為不同深寬比冷卻通道溫升與室壓、混合比的關系。

圖12 室壓及混合比對冷卻劑溫升的影響Fig.12 Effect of Pressure and Mixture Ratio for Coolant Temperature Rise

由圖12可知，隨著室壓提高，所有深寬比冷卻通道內冷卻劑溫升也都隨之提高，且AR15區(qū)增長幅度最大。這是由于隨著室壓的增加，燃燒室單位截面的燃氣質量流量也隨之增大，相應地，沿程氣壁熱流密度及氣壁溫越大，冷卻劑吸熱的能量越大，溫升越大，AR15區(qū)換熱能力最強，溫升增長速率也最大。

與室壓類似，隨著混合比的提高，AR3區(qū)、AR6.7區(qū)、AR9.6區(qū)冷卻劑溫升都隨混合比提高而提高，這是由于推進劑混合比越大，越接近其當量混合比，組分燃燒越充分，能量釋放越充分，燃氣溫度越高，相應地，沿程氣壁熱流密度及氣壁溫越大，冷卻劑吸收的能量越大，溫升越高。而AR15區(qū)溫升最高換熱效果最好但規(guī)律與其他區(qū)不一致，隨著混合比提高冷卻氫溫升輕微增加然后又輕微降低，分析認為可能原因是深寬比AR15區(qū)由于深寬比大、換熱能力強、冷卻氫溫度分層現(xiàn)象顯著，冷卻氫出口溫度測點位置選擇不夠優(yōu)化，沒有完全避開冷卻通道出口附近的冷卻氫溫度分層區(qū)域，不能正確反映溫度均勻后的冷卻氫出口溫度，測量偏差較大。

此外，對比室壓和混合比變化時冷卻劑溫升變化值，與室壓相比，混合比的變化對溫升的影響也比較顯著，室壓增加10%，各區(qū)溫升增加約7～20 K，混合比增加10%，各區(qū)溫升增加約3.5～7.5 K。雖然變化幅度不如室壓的影響大，但混合比變化對溫升的影響不可忽視。

4 結 論

為研究分析高深寬比冷卻通道結構的傳熱特性，設計了4種深寬比冷卻通道并聯(lián)的量熱式縮比推力室試驗件，成功開展了熱試驗研究，并與三維耦合傳熱數(shù)值模擬進行了對比分析，結果表明：

a）高深寬比冷卻通道換熱面積增大，換熱能力增強，冷卻氫可從燃氣側吸收更多的熱量；

b）隨著冷卻通道深寬比增加，傳熱效果增強，冷卻劑溫升逐漸增加，氣壁溫降低，但冷卻通道的冷卻劑流阻先減小后增大，應綜合平衡考慮氣壁溫和流阻，選擇設計最優(yōu)狀態(tài)，同時考慮冷卻通道的加工工藝性；

c）由于高深寬比冷卻通道具有非對稱加熱的特點，造成了冷卻氫和肋條溫度分層的現(xiàn)象，且深寬比越高溫度分層越明顯；

d）與室壓相比，混合比的變化對傳熱的影響較小，但仍不可忽視。