氣氧/氣甲烷火炬式電點火器燃燒仿真與熱試

張 鋒，于 涵，尚 帥，胡洪波，連俊愷

(西安航天動力研究所 液體火箭發(fā)動機技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710100)

0 引言

隨著航天動力技術(shù)的發(fā)展，可重復(fù)使用火箭逐漸成為未來航天運載器的重要發(fā)展方向之一。研制低成本、高性能、易使用、無毒、無污染的推進系統(tǒng)正成為各國航天競相關(guān)注的熱點。液氧甲烷發(fā)動機在可重復(fù)使用領(lǐng)域具有較高的潛力，這是因為一方面與煤油相比，甲烷結(jié)焦溫度高、積碳少，冷卻能力更強；另一方面與液氫相比，密度是液氫的6倍左右，因此貯箱的尺寸及質(zhì)量更小，并且絕熱和處理工藝的要求簡單得多。因此，液氧/甲烷推進劑組合非常適合低成本、可重復(fù)使用發(fā)動機，美、俄、歐等航天強國均相繼啟動了液氧/甲烷發(fā)動機的研制計劃。

液氧/甲烷雙組元低溫推進劑需要額外的點火裝置才能實現(xiàn)發(fā)動機的起動過程，現(xiàn)有的點火方式主要包括化學(xué)點火、火藥點火和火炬式電點火等。其中火炬式電點火器相當(dāng)于一個小型燃燒裝置，一般由推進劑供應(yīng)系統(tǒng)、點火室、火花塞點火系統(tǒng)以及噴管(或燃氣導(dǎo)管)等部件組成?；鹁媸诫婞c火器具有可多次起動、能量高以及工作時間可調(diào)控等優(yōu)點，因此火炬式電點火方式是可重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動機較為可行的點火方式之一。

火炬式電點火技術(shù)已在國外多款發(fā)動機中得到應(yīng)用，美國的RL-10和SSME、日本的LE-5和LE-7以及俄羅斯的PД-0120等氫/氧火箭發(fā)動機均采用了火炬式電點火器。早在20世紀70年代后期，美國NASA的Lewis研究中心研制了一種氣氧/氣氫火炬式電點火器，用作火箭發(fā)動機地面燃燒試驗的點火源。該點火器在多個試驗系統(tǒng)上得到廣泛應(yīng)用，操作簡單、可靠性高，可用于氫/氧、液氧/煤油、甲烷/氣氧等多種推進劑組合的點火。NASA格倫研究中心設(shè)計了液氧/甲烷火炬點火器，并在真空環(huán)境下開展了750次點火試驗，評估了甲烷純度、火花塞能量和放電頻率、混合比、流量以及點火器結(jié)構(gòu)等對點火成功率的影響。

國內(nèi)對火炬式電點火器技術(shù)的研究起步較晚。孫紀國等先后研制了膜冷卻型液氫/液氧火炬式電點火器和排放冷卻型液氫/液氧富氧火炬式電點火器。劉巍等設(shè)計了采用旋轉(zhuǎn)液膜冷卻的氣氧/酒精火炬式電點火器，并在沖壓發(fā)動機試車臺上進行了試驗，試驗中最長工作時間達到20 s。針對超燃沖壓發(fā)動機點火難題，鄧維鑫等設(shè)計了一種以空氣和煤油作為氧化劑和燃料的火炬式電點火器，試驗表明，該點火器能夠在當(dāng)量比0.3～1.3范圍內(nèi)可靠工作，并能可靠點燃超燃沖壓發(fā)動機。

總體而言，國內(nèi)在火炬式電點火器技術(shù)方面開展了一定的研究工作，但針對氣氧/氣甲烷火炬式電點火器技術(shù)的研究較少，有待進一步深入。為此，本文針對液氧甲烷發(fā)動機可重復(fù)使用點火需求，設(shè)計了一種直流互擊式氣氧/氣甲烷火炬式電點火器，并開展了燃燒流動數(shù)值模擬和點火試驗研究。

1 火炬式電點火器設(shè)計方案

1.1 設(shè)計計算

氣氧/氣甲烷火炬式電點火器的設(shè)計要求如下：①理論燃氣溫度2 000±200 K；②點火室壓力不小于2.0 MPa；③點火器本體及電火花塞熱防護可靠，無燒蝕。

國內(nèi)外常見的火炬式電點火器的混合比一般多選擇富燃混合比，這是由于在相同點火能量的情況下，富燃混合比所需要的點火器總流量要明顯小于富氧混合比條件下的總流量。因此，本文的氣氧/氣甲烷火炬式電點火器同樣選擇富燃混合比。為確定火炬點火器的混合比，采用CEA軟件開展了氣氧/氣甲烷熱力性能參數(shù)計算。在點火室壓力=2.0 MPa的條件下(氣氧和氣甲烷的初始溫度均為293 K)，燃氣溫度隨混合比的變化曲線如圖1所示。

圖1 氣氧/氣甲烷理論燃燒溫度隨混合比的變化曲線(pc=2.0 MPa)

在混合比MR為1～10的范圍之內(nèi)，燃氣溫度隨混合比的增大先增大后減小，在混合比MR=3.7時(化學(xué)恰當(dāng)混合比為4.0)達到最高值3 452.3 K。當(dāng)混合比為1.56時，理論燃氣溫度約為2 000 K?？紤]到燃燒效率及散熱損失等因素，該火炬式點火器混合比取為1.65，此時的理論燃氣溫度約為2 166.1 K，理論特征速度約為1 707.0 m/s。

1.2 結(jié)構(gòu)方案

本文設(shè)計的氣氧/氣甲烷火炬式電點火器結(jié)構(gòu)如圖2所示。該點火器采用電火花塞點火，電火花塞設(shè)置在點火器頭部的中心位置。該點火器采用直流互擊式噴注方案，共有4對氣氧/氣甲烷的直流互擊式噴注孔。

圖2 氣氧/氣甲烷火炬式電點火器結(jié)構(gòu)圖

2 燃燒流場仿真

2.1 仿真方法及物理模型

采用商用計算流體力學(xué)軟件Fluent 6.3.26求解器，對上述火炬式電點火器進行了三維燃燒流場數(shù)值仿真。由于仿真的目的主要在于了解點火室內(nèi)溫度分布尤其是高溫區(qū)的位置，因此，計算域未包含喉部下游區(qū)域，并根據(jù)點火器結(jié)構(gòu)特點進行適當(dāng)簡化，取其1/4進行建模并劃分網(wǎng)格，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，選取網(wǎng)格數(shù)約為1.65×10，如圖3所示。

圖3 計算網(wǎng)格

控制方程采用基于雷諾平均的氣相湍流反應(yīng)的N-S方程，湍流模型選擇標準-模型，采用標準壁面函數(shù)處理近壁面流動，離散格式為二階迎風(fēng)格式。氣氧/氣甲烷的燃燒反應(yīng)動力學(xué)模型采用了13組分、18步反應(yīng)的簡化反應(yīng)機理。

氣甲烷和氣氧噴孔進口均選擇質(zhì)量入口(總流量為8 g/s)，給定進口燃料和氧化劑的流量、壓力、推進劑組分及溫度，出口選擇壓力出口，進出口的湍動能和湍動耗散率按經(jīng)驗公式給定，對稱面采用對稱邊界，固體壁面采用絕熱、無滑移壁面條件，并忽略對流傳熱、輻射傳熱對流場的影響。流場中各組分的定壓比熱容選擇分段多項式方法計算，黏性和導(dǎo)熱系數(shù)按照動能理論計算；混合氣體的密度按照理想氣體模型計算，導(dǎo)熱系數(shù)和黏性按理想氣體混合定律給定，質(zhì)量擴散按動能理論進行計算。

2.2 仿真結(jié)果與分析

本文在點火器總流量保持不變的情況下，對點火器混合比在1.0～3.0的富燃燃燒流場進行數(shù)值仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果分析混合比對點火器燃燒流場(尤其是溫度場分布)和工作特性的影響。

表1 燃燒流場仿真結(jié)果

圖4 燃氣溫度隨混合比的變化

圖5 特征速度隨混合比的變化

圖6給出了不同混合比工況下，點火室內(nèi)燃氣靜溫分布云圖。從圖中可以看出，點火室內(nèi)的高溫燃燒區(qū)起始于氣氧噴孔出口，主要位于氣氧射流的外圍以及氣氧射流與氣甲烷射流撞擊混合的合成射流的下游側(cè)。隨著混合比的逐漸升高，高溫燃燒區(qū)范圍逐漸擴大并逐漸延續(xù)到喉部。另一方面，隨著混合比的增大，氣氧射流與氣甲烷的動量比逐漸增大，因此兩者撞擊混合后的合成射流軸線與點火器中心軸線的夾角逐漸增大，由混合比MR=1.0時的28°增大至混合比MR=3.0時的79°。受此影響，4對撞擊對合成射流的徑向動量分量逐漸增大，從而增強了高溫燃氣向點火器頭部端面的回流，導(dǎo)致火花塞末端所處的熱環(huán)境愈發(fā)惡劣，火花塞末端燒蝕的風(fēng)險不斷加大。

圖6 不同混合比下的靜溫分布云圖

3 點火試驗

按照火炬式電點火器的設(shè)計方案試制了一套點火器樣件，并根據(jù)仿真結(jié)果開展了試驗研究，下面介紹具體的試驗方案和試驗結(jié)果與分析。

3.1 試驗方案

圖7 氣氧/氣甲烷火炬式電點火器試驗系統(tǒng)

(1)

由數(shù)值仿真的結(jié)果可知，隨著混合比的升高，火花塞端面處溫度顯著升高，為了保證試驗中火花塞不被燒蝕，本文按照表1中工況1～4的參數(shù)開展點火試驗，不進行工況5～8的點火試驗。

3.2 試驗結(jié)果與分析

按照表1中工況1～4開展點火器熱試，得到點火器室壓隨時間變化曲線如圖8所示，其中圖8(a)是點火器室壓全程變化曲線，圖8(b)是點火器起動時刻室壓變化曲線。從圖8(a)可以看出在0.2 s時刻點火室壓力開始上升，此時燃料和氧化劑正在進入點火室，室壓上升到接近0.5 MPa時出現(xiàn)明顯拐點，此時燃料和氧化劑基本完成充填，點火室迅速著火，室壓快速上升，大約在0.4 s時刻火炬點火器室壓達到額定值，隨后在額定室壓下穩(wěn)定工作。熱試結(jié)果表明點火器可在混合比1.0～1.6之間實現(xiàn)可靠點火和穩(wěn)定工作，隨著點火器混合比升高，穩(wěn)定工作階段的室壓增大，這符合理論分析和數(shù)值計算結(jié)果的變化趨勢。

圖8 不同混合比工況下點火室壓力變化曲線

從圖8(b)中還可以看出，在混合比1.61狀態(tài)下，點火室存在較為明顯的點火壓力峰，隨著混合比的降低，點火壓力峰逐漸消失。點火室中產(chǎn)生點火壓力峰的原因是從氧氣和甲烷開始進入點火器到火花塞位置處的混合比達到可燃條件存在一定的時間延遲，該時間內(nèi)在點火器中積存的氧氣和甲烷著火瞬間發(fā)生爆燃?；旌媳仍浇咏瘜W(xué)恰當(dāng)比，爆燃程度就越高，形成的點火壓力峰也就越大。

圖9 點火器室壓數(shù)值計算和熱試結(jié)果對比

火炬式點火器點著發(fā)動機主燃燒室依靠的是從燃氣導(dǎo)管噴出的高溫燃氣，因此火焰特征對于點火過程較為重要，下面基于典型工況的火焰圖像分析火焰特征演變規(guī)律。圖10為MR=1.61工況下點火器出口火焰從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)展過程，可以看出在火炬剛點燃的時刻，火焰長度較長(約500 mm)、寬度較寬(約100 mm)，這是由于火炬點燃前一部分未燃混合物已經(jīng)從出口噴出，火炬點燃后，點火室內(nèi)部火焰噴出將未燃混合物點燃，從而形成了較大尺寸的火焰特征。在+0.04 s時刻，火焰區(qū)域明顯縮小，火焰呈淡黃色，此時點火室未完全建壓，部分未完全燃燒的高溫燃氣從燃氣導(dǎo)管噴出后與空氣繼續(xù)燃燒。在+0.08 s時刻，點火室基本完成建壓過程，此時火焰根部呈淡藍色，火焰長度約200 mm、寬度約30 mm。在+0.12 s時刻，點火室完成建壓過程，此時火焰特征與+0.08 s時刻基本相同。從火焰式圖像可以看出，火炬點火器穩(wěn)定工作后的火焰具有較好的穩(wěn)定性和剛度，符合發(fā)動機主燃燒室對點火器火焰的要求。

圖10 點火器出口火焰發(fā)展過程

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種氣氧/氣甲烷火炬電點火器，并開展了燃燒流場數(shù)值仿真和點火試驗研究，得到以下結(jié)論。

1)直流互擊式噴注方式能夠較好地適用于小流量氣/氣燃燒組織，可作為氣態(tài)火炬電點火器的設(shè)計備選方案。

2)采用數(shù)值模擬方法能夠較準確地獲得點火室壓力、燃氣溫度和特征速度，在混合比高于1.8時，存在火花塞端面過熱燒蝕的風(fēng)險。

3)熱試結(jié)果表明火炬點火器能夠在混合比1.0～1.6范圍實現(xiàn)可靠點火和穩(wěn)定工作，火焰穩(wěn)定性和剛度較好，并且火花塞或喉部未出現(xiàn)燒蝕問題。