某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饴樊惓毫γ}動(dòng)分析

劉紅珍，田 原

(北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

0 引言

燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)是泵壓式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛采用的開(kāi)式循環(huán)。當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的高溫燃?xì)庑枰祫?dòng)并聯(lián)的氫氧渦輪時(shí)，一般需要多通管路對(duì)燃?xì)膺M(jìn)行分流。燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的燃?xì)庾鳛橄掠螠u輪的輸入工質(zhì)，其流動(dòng)穩(wěn)定性關(guān)系著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的成敗。當(dāng)燃?xì)饬鲃?dòng)不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)造成渦輪泵的輸入輸出跟隨脈動(dòng)，進(jìn)而造成發(fā)動(dòng)機(jī)推力脈動(dòng)。同時(shí)，異常的壓力脈動(dòng)也會(huì)對(duì)渦輪泵施加壓力脈動(dòng)激勵(lì)，導(dǎo)致渦輪泵工作環(huán)境惡化。因此，研究燃?xì)饴妨鲃?dòng)穩(wěn)定性對(duì)渦輪及發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)均具有十分重要的意義。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)并聯(lián)的多通管路內(nèi)的流量分配與壓力跳變現(xiàn)象進(jìn)行了一些研究。Bajura從流體力學(xué)的角度給出并聯(lián)管路壓降的分析方法，提出了“Bajura第一模型”；此后又對(duì)并聯(lián)管路的壓降與流量分配進(jìn)行分析修正后提出“Bajura第二模型”。日本白百合女子大學(xué)Horii等用空氣作為流動(dòng)介質(zhì)，在特定條件下，用粒子顯示出管內(nèi)存在非常穩(wěn)定的強(qiáng)螺旋流現(xiàn)象。隨后提出了擴(kuò)散管+彎頭+收縮管、環(huán)狀軸對(duì)稱(chēng)開(kāi)口徑向進(jìn)流+錐形收縮的螺旋流發(fā)生裝置，并進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用。然而，上述裝置為何會(huì)產(chǎn)生螺旋流以及管道結(jié)構(gòu)形狀、幾何參數(shù)對(duì)螺旋流的形成與發(fā)展有何影響卻不清楚。Horii雖也試圖解釋這種流動(dòng)現(xiàn)象，初步認(rèn)為Coanda效應(yīng)與流動(dòng)不穩(wěn)定性是產(chǎn)生螺旋流的原因，然而根據(jù)還很不充分。北京大學(xué)湍流研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的熊鰲魁等針對(duì)多通、帶收縮擴(kuò)展的彎頭結(jié)構(gòu)的3種管路開(kāi)展了水介質(zhì)的驗(yàn)證試驗(yàn)，提出了不對(duì)稱(chēng)的雙渦在相互作用后卷并為一個(gè)渦，形成了穩(wěn)定的強(qiáng)螺旋流現(xiàn)象。帥石金等對(duì)汽車(chē)上排氣系統(tǒng)中三分支管路內(nèi)的螺旋流進(jìn)行研究，從三維仿真及試驗(yàn)測(cè)量角度驗(yàn)證了螺旋流的存在及特征。翟銀平等利用Fluent軟件對(duì)90°彎管管道在不同的切向進(jìn)流角度下進(jìn)行數(shù)值仿真，仿真過(guò)程中選用了-湍流模型，采用穩(wěn)態(tài)算法，獲得了螺旋流的生成、發(fā)展和衰減的規(guī)律。王樹(shù)立等分析了各種螺旋流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)形式及性能特點(diǎn)，介紹了各種螺旋流發(fā)生器的優(yōu)缺點(diǎn)及適用環(huán)境。張琳等介紹了一種螺旋扭帶裝置，通過(guò)在每根換熱管的進(jìn)口端安裝一根塑料扭帶，利用流體自身的動(dòng)能使扭帶旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生螺旋流，達(dá)到清洗管內(nèi)污垢、抑制污垢沉積和強(qiáng)化傳熱的目的；同時(shí)，通過(guò)對(duì)自轉(zhuǎn)螺旋扭帶管和普通光管為模型進(jìn)行數(shù)值仿真，獲得了扭帶管內(nèi)規(guī)律的螺旋流以及普通管內(nèi)常規(guī)的直線流動(dòng)。王曉飛通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法研究管內(nèi)螺旋流的形成及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究螺旋流發(fā)生器的幾何參數(shù)、入口條件等方面對(duì)螺旋流的形成及發(fā)展的影響，對(duì)螺旋流產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行初步探討，認(rèn)為在一個(gè)穩(wěn)定的基本流場(chǎng)內(nèi)，受黏性、斜壓、流體旋轉(zhuǎn)、流線扭曲等擾動(dòng)因素的影響，會(huì)導(dǎo)致渦核破裂，渦核的破裂會(huì)破壞原有的穩(wěn)定流場(chǎng)，形成不穩(wěn)定區(qū)域，在擾動(dòng)因素的影響下可進(jìn)一步形成一個(gè)大的、有序的渦旋，形成螺旋流。文獻(xiàn)[12-15]針對(duì)液體運(yùn)載火箭五通出口分支管壓力下跳、一級(jí)燃增壓管入口壓力鼓包問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值仿真，提出并聯(lián)多通管路中存在兩種典型流型——螺旋流和直線流，認(rèn)為螺旋流是由于Coanda效應(yīng)與流動(dòng)不穩(wěn)定性引起，并伴隨大渦的形成，導(dǎo)致管路流阻增加，引起管路局部壓力跳變。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究表明，螺旋流容易在多通結(jié)構(gòu)或者存在收縮段的結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生。國(guó)內(nèi)外對(duì)螺旋流的研究主要側(cè)重于螺旋流的工業(yè)應(yīng)用，但對(duì)螺旋流產(chǎn)生的內(nèi)部機(jī)理以及螺旋流和直線流等相互切換引起的流動(dòng)不穩(wěn)定的本質(zhì)及產(chǎn)生機(jī)理有待深入研究。

1 問(wèn)題概述

某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的高溫燃?xì)饨?jīng)過(guò)燃?xì)馊ǚ至鳎?jīng)燃?xì)鈱?dǎo)管后分別吹動(dòng)氫/氧渦輪。在試車(chē)過(guò)程中，燃?xì)饴废到y(tǒng)各壓力測(cè)點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)異常的壓力脈動(dòng)，此現(xiàn)象從形態(tài)上可分為兩類(lèi)：第一類(lèi)的壓力脈動(dòng)是單邊跳動(dòng)，即某一壓力測(cè)點(diǎn)在試車(chē)的平穩(wěn)段突然向上或向下跳至一個(gè)新水平，然后持續(xù)較短時(shí)間后又恢復(fù)正常，由于單次壓力跳動(dòng)時(shí)間持續(xù)較短，反映到全程壓力曲線上，類(lèi)似于“毛刷”現(xiàn)象；第二類(lèi)壓力脈動(dòng)表現(xiàn)為壓力臺(tái)階，持續(xù)時(shí)間比第一種壓力脈動(dòng)長(zhǎng)。兩種壓力異常脈動(dòng)發(fā)生的時(shí)刻及次數(shù)均具有一定的隨機(jī)性。對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器室壓按=′進(jìn)行無(wú)量綱化處理，其中為試驗(yàn)壓力，′為固定值；典型的試驗(yàn)壓力曲線如圖1所示。對(duì)熱試車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)燃?xì)夥至鞅?吹氧渦輪的燃?xì)饬髁?吹氫渦輪的燃?xì)饬髁?大于0.5時(shí)，燃?xì)饴烦霈F(xiàn)異常壓力脈動(dòng)的概率會(huì)大大增加，如圖2所示。

圖1 典型試驗(yàn)壓力曲線Fig.1 Typical pressure curve in hot fire test

圖2 壓力跳動(dòng)試車(chē)工況統(tǒng)計(jì)Fig.2 Test condition statistics of pressure jump

本文利用數(shù)值仿真、冷態(tài)氣流試驗(yàn)及熱試車(chē)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研究某火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饴樊惓毫μ鴦?dòng)的機(jī)理及抑制措施。

2 燃?xì)饴妨鲌?chǎng)分析

研究對(duì)象是某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饴?，燃?xì)饴返暮诵慕Y(jié)構(gòu)是燃?xì)獍l(fā)生器、燃?xì)馊皻?氧燃?xì)鈱?dǎo)管，簡(jiǎn)化后的物理模型如圖3所示。

圖3 燃?xì)饴泛?jiǎn)化模型Fig.3 Simplified model of gas path

采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對(duì)燃?xì)饴纺Ｐ蛣澐志W(wǎng)格，計(jì)算采用ANSYS CFX軟件穩(wěn)態(tài)求解器，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)-模型；采用理想氣體模型，流體工質(zhì)為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作中燃?xì)獍l(fā)生器生產(chǎn)的富燃燃?xì)狻Ｈ細(xì)獍l(fā)生器入口采用壓力入口邊界，為7.98 MPa；氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管出口分別設(shè)置流量邊界，壁面為無(wú)滑移、絕熱邊界條件。收斂殘差10。

固定氧燃?xì)鈱?dǎo)管側(cè)流量1.926 kg/s，調(diào)整氫燃?xì)鈱?dǎo)管側(cè)流量，三通內(nèi)的流型變化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，典型的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4及表1中可以看出，當(dāng)分流比小于等于0.48或大于等于1.75時(shí)，燃?xì)饴妨鲌?chǎng)更傾向于分岔流狀態(tài)，燃?xì)馊ǖ撞苛鲃?dòng)無(wú)旋轉(zhuǎn)的大渦；當(dāng)分流比在0.6～1.38之間時(shí)，燃?xì)饴妨餍透鼉A向于螺旋流狀態(tài)，在燃?xì)馊ǖ撞績(jī)?nèi)有旋轉(zhuǎn)的大渦；當(dāng)分流比介于0.49～0.58、1.48～1.61間時(shí)，流場(chǎng)可能處于兩種流型切換。當(dāng)流場(chǎng)處于分叉流或螺旋流狀態(tài)時(shí)，氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管出口的壓力穩(wěn)定，當(dāng)介于兩種流型狀態(tài)時(shí)的氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管出口壓力無(wú)法穩(wěn)定在某一固定值。當(dāng)燃?xì)饴诽幱诜植媪骰蚵菪鲿r(shí)，仿真殘差曲線見(jiàn)圖5；當(dāng)燃?xì)饴诽幱趦煞N流型切換時(shí)，仿真殘差曲線見(jiàn)圖6。

表1 計(jì)算結(jié)果

圖4 燃?xì)馊▋?nèi)兩種流動(dòng)狀態(tài)流線示意圖Fig.4 Schematic diagram of streamline in three-branched pipe with two flow states

圖5 收斂時(shí)殘差曲線Fig.5 Convergent residual curve

圖6 不收斂時(shí)殘差曲線 Fig.6 Nonconvergent residual curve

3 冷態(tài)氣流試驗(yàn)

3.1 冷態(tài)氣流試驗(yàn)系統(tǒng)

為了復(fù)現(xiàn)熱試過(guò)程中燃?xì)饴返膲毫Ξ惓Ｌ鴦?dòng)現(xiàn)象，以適應(yīng)試驗(yàn)臺(tái)氮?dú)夤?yīng)能力，保證縮比件與全尺寸燃?xì)獍l(fā)生器入口馬赫數(shù)及雷諾數(shù)相同為原則，對(duì)燃?xì)饴愤M(jìn)行等比例縮放。燃?xì)饴啡肟谠O(shè)置質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器的總流量，氫燃?xì)鈱?dǎo)管出口設(shè)置固定尺寸的節(jié)流孔控制流量，氧燃?xì)鈱?dǎo)管出口設(shè)置調(diào)節(jié)閥，使氧路具備連續(xù)調(diào)節(jié)流量分配的能力。氣流試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 氣流試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of gas flow test system

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在氣源壓力6 MPa、4 MPa、1 MPa下分別對(duì)未加整流裝置的燃?xì)饴房s比件系統(tǒng)進(jìn)行氣流試驗(yàn)，在一定分流比范圍內(nèi)，均能復(fù)現(xiàn)熱試車(chē)時(shí)燃?xì)饴返漠惓毫γ}動(dòng)現(xiàn)象，說(shuō)明燃?xì)饴返膲毫γ}動(dòng)現(xiàn)象與燃燒室內(nèi)的燃燒過(guò)程及燃燒室壓力大小無(wú)關(guān)，只與燃?xì)夥至鞅扔嘘P(guān)。對(duì)試驗(yàn)壓力進(jìn)行無(wú)量綱處理，典型的試驗(yàn)壓力曲線見(jiàn)圖8。

圖8 氣流試驗(yàn)典型的壓力曲線Fig.8 Typical pressure curve of gas flow test

由圖8可見(jiàn)，當(dāng)分流比小于0.49時(shí)，燃?xì)獍l(fā)生器室壓及下游氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)壓力均無(wú)跳變現(xiàn)象,結(jié)合仿真分析，認(rèn)為此工況下燃?xì)饴穬?nèi)是穩(wěn)定的分叉流；當(dāng)分流比在0.5～0.56之間，燃?xì)獍l(fā)生器室壓及下游壓力均出現(xiàn)跳變。當(dāng)出現(xiàn)壓力跳變時(shí)，燃?xì)獍l(fā)生器室壓上升，氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)壓力下降，燃?xì)饴妨髯柙龃蟆．?dāng)分流比在0.56～0.62之間，燃?xì)饴穳毫γ}動(dòng)幅值增大，流阻進(jìn)一步增加。當(dāng)燃?xì)夥至鞅仍?.62～0.65之間，燃?xì)獍l(fā)生器室壓和氫燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)出現(xiàn)向上跳動(dòng)的異常臺(tái)階，氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)出現(xiàn)向下跳動(dòng)的異常臺(tái)階。文獻(xiàn)[11]指出受擾動(dòng)因素的影響可能會(huì)使流體從一個(gè)穩(wěn)定的基本流場(chǎng)進(jìn)入另一個(gè)穩(wěn)定流場(chǎng)即螺旋流。在熱試車(chē)或冷態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中，燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)也可能會(huì)存在壓力或流線扭曲等擾動(dòng)。在分流比0.5～0.65之間，受擾動(dòng)因素的影響，可能會(huì)引起燃?xì)饴返牧鲌?chǎng)在分叉流和螺旋流之間相互切換。當(dāng)分流比大于0.67(此工況下分流比試驗(yàn)?zāi)芰ψ罡叩?.73)燃?xì)饴犯鲏毫μ冇窒А＝Y(jié)合數(shù)值仿真結(jié)果，推斷此工況下燃?xì)饴穬?nèi)是穩(wěn)定的螺旋流。由圖8可見(jiàn)，燃?xì)夥至鞅鹊纳毯徒党讨?，燃?xì)饴返膲毫γ}動(dòng)現(xiàn)象均能較好地復(fù)現(xiàn)，壓力臺(tái)階在分流比降程中未能復(fù)現(xiàn)，說(shuō)明壓力臺(tái)階的出現(xiàn)具有一定的隨機(jī)性。

為了抑制燃?xì)饴返漠惓毫γ}動(dòng)，抑制氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)的螺旋流，在氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)靠近燃?xì)馊ㄎ恢梅謩e加入十字形的擋板，對(duì)燃?xì)饴愤M(jìn)行冷態(tài)氣流試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖9所示。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)燃?xì)饴烦霈F(xiàn)螺旋流時(shí)，在燃?xì)馊ǖ牡撞考皻?氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)均存在較強(qiáng)的螺旋流動(dòng)。但是由圖9可知，氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)設(shè)置十字形擋板后燃?xì)饴啡源嬖诋惓毫γ}動(dòng)。因此，氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)出現(xiàn)的螺旋流不是引起燃?xì)饴樊惓毫γ}動(dòng)的根本原因。

圖9 十字擋板的氣流壓力曲線Fig.9 Pressure curve of gas flow test with cross battle

燃?xì)馊▋?nèi)設(shè)置多孔狀的整流柵，并對(duì)帶整流柵的燃?xì)饴愤M(jìn)行不同壓力下的氣流試驗(yàn)，分流比在0～0.83范圍內(nèi)，燃?xì)饴匪袎毫闯霈F(xiàn)異常的壓力跳變、臺(tái)階等異常跳動(dòng)現(xiàn)象。典型的試驗(yàn)曲線如圖10所示。

圖10 帶整流柵的氣流試驗(yàn)壓力曲線Fig.10 Pressure curve of gas flow test with cross battle

4 熱試車(chē)驗(yàn)證

數(shù)值仿真和氣流試驗(yàn)結(jié)果分別表明分流比在0.49～0.58、0.5～0.65的范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)兩種流型切換的狀態(tài)，出現(xiàn)異常壓力脈動(dòng)。在燃?xì)馊▋?nèi)設(shè)置整流柵，搭載全系統(tǒng)及泵聯(lián)試系統(tǒng)熱試車(chē)，試驗(yàn)燃?xì)夥至鞅仍?.47～0.621寬范圍調(diào)節(jié)，熱試結(jié)果表明整流柵可成功抑制燃?xì)饴樊惓毫γ}動(dòng)，大幅降低燃?xì)鈮毫γ}動(dòng)幅值。目前，整流柵已通過(guò)了多次熱試車(chē)考核，累計(jì)熱試車(chē)時(shí)間達(dá)5 400 s。典型的熱試車(chē)壓力曲線如圖11所示。

圖11 帶整流柵狀態(tài)熱試時(shí)燃?xì)獍l(fā)生器室壓Fig.11 Chamber pressure of gas generator in hot fire test with perforated device

5 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值仿真、冷態(tài)氣流試驗(yàn)及熱試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)燃?xì)饴樊惓５膲毫γ}動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，獲得以下結(jié)論。

1)燃?xì)馊▋?nèi)流動(dòng)具有非線性的流動(dòng)多解特性，存在分叉流和螺旋流兩種流型；在特定擾動(dòng)下，燃?xì)馊▋?nèi)的螺旋大渦及氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)的螺旋流動(dòng)會(huì)引起流阻增大，導(dǎo)致燃?xì)饴肪植繅毫μ儭?/p>

2)冷態(tài)氣流試驗(yàn)可以復(fù)現(xiàn)燃?xì)饴返膲毫μ儸F(xiàn)象，獲得燃?xì)饴返牧鲃?dòng)穩(wěn)定性邊界。燃?xì)饴返漠惓毫γ}動(dòng)與燃燒過(guò)程及燃燒室壓力無(wú)關(guān)，只與分流比相關(guān)。

3)在氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)設(shè)置十字形擋板不能抑制燃?xì)饴返膲毫μ鴦?dòng)現(xiàn)象。

4)整流柵把三通底部的螺旋大渦破碎，經(jīng)冷態(tài)氣流試驗(yàn)及熱試車(chē)驗(yàn)證，可以有效抑制燃?xì)饴返漠惓Ｃ}動(dòng)現(xiàn)象。