尚永騰

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009）

燒蝕臺(tái)階現(xiàn)象及對噴管性能的影響分析

尚永騰

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009）

噴管內(nèi)型面由不同材料對接而成，對接面處不可避免地會(huì)出現(xiàn)燒蝕臺(tái)階。本文對噴管的燒蝕臺(tái)階現(xiàn)象進(jìn)行分析，說明了燒蝕臺(tái)階的成因和不利影響；對臺(tái)階對局部流場的影響進(jìn)行仿真，展示了不同尺度的渦流現(xiàn)象；對不同臺(tái)階位置和深度時(shí)的噴管內(nèi)流場進(jìn)行計(jì)算，分析了其對噴管性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明喉襯后緣的大尺寸燒蝕臺(tái)階對噴管性能影響很大，必須在噴管設(shè)計(jì)中予以避免。

燒蝕臺(tái)階；臺(tái)階效應(yīng)；局部流場；噴管內(nèi)流場

0 引 言

在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,由于噴管各部分功能各異,所處燃?xì)猸h(huán)境不同,對燒蝕性、耐熱性要求也不同；同時(shí)考慮加工、減重、承力等方面的要求,需要采用不同材料搭接組成噴管內(nèi)型面,這樣兩種材料的結(jié)合處就形成了縫隙［1-2］。由于縫隙兩側(cè)材料的不同,噴管工作過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)燒蝕臺(tái)階,臺(tái)階的出現(xiàn)會(huì)破壞內(nèi)流場,在一定程度上損失噴管性能,嚴(yán)重時(shí)會(huì)在臺(tái)階處形成渦流,從而進(jìn)一步加劇對縫隙下游材料的沖刷燒蝕,使臺(tái)階再擴(kuò)大,形成臺(tái)階效應(yīng)。臺(tái)階效應(yīng)會(huì)造成噴管內(nèi)型面嚴(yán)重的沖刷燒蝕,不僅造成推力損失,還可能造成燒穿事故而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作失敗。

因此有必要對噴管燒蝕臺(tái)階現(xiàn)象進(jìn)行分析,了解其形成原因及對局部流場和噴管性能的影響,為改進(jìn)噴管設(shè)計(jì)、減小臺(tái)階影響提供理論基礎(chǔ)。

1 燒蝕臺(tái)階的成因和不利影響

噴管喉部的燒蝕通常最為嚴(yán)重,為保證喉道面積,常采用石墨、碳/碳等耐燒蝕材料或鎢滲銅、鉬滲銅等難熔金屬作為喉襯材料,為了增強(qiáng)隔熱效果、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,喉襯上下游常采用高硅氧/酚醛、碳/酚醛等材料［3-7］。不同材料的燒蝕率有差異,表1所示為噴管常用燒蝕材料的燒蝕性能。

表1 噴管常用燒蝕材料

材料燒蝕率不同會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)燒蝕臺(tái)階,從而對噴管性能產(chǎn)生不利影響［8-12］：

(1)燒蝕臺(tái)階的出現(xiàn)直接導(dǎo)致內(nèi)型面不連續(xù),從而造成燃?xì)饬鲃?dòng)損失；

(2)內(nèi)型面的凹坑增加了內(nèi)表面粗糙度,破壞了壁面附近的平流邊界層,造成邊界層損失增大；

(3)若兩種材料燒蝕性能相差過大,在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)明顯的臺(tái)階而引發(fā)臺(tái)階效應(yīng),從而造成內(nèi)型面的嚴(yán)重?zé)g。圖1所示為典型的臺(tái)階效應(yīng)造成的噴管燒蝕現(xiàn)象。

圖1 典型的臺(tái)階效應(yīng)造成的燒蝕現(xiàn)象

圖1中,噴管喉襯表面采用鎢滲銅材料,抗燒蝕性能很好,在工作過程中幾乎不燒蝕,而擴(kuò)散段燒蝕層采用高硅氧/酚醛材料,其線燒蝕率約為0.2 mm/s。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中,鎢滲銅與高硅氧/酚醛接觸的縫隙兩側(cè)由于燒蝕率不同而形成臺(tái)階,臺(tái)階深度達(dá)到一定程度則出現(xiàn)渦流,渦流進(jìn)一步加劇了對高硅氧/酚醛的燒蝕,由此逐漸形成圖中所示的燒蝕凹坑。通常噴管設(shè)計(jì)中,縫隙兩側(cè)材料的燒蝕速率相差不超過3倍。

2 燒蝕臺(tái)階對局部流場的影響

燒蝕臺(tái)階的直接影響是對局部流場產(chǎn)生干擾,改變流線方向,破壞平行流邊界層。圖2～4分別模擬臺(tái)階迎對來流、臺(tái)階背對來流以及來流經(jīng)過凹坑時(shí)的流場情況。

圖2中,臺(tái)階處于迎對來流方位時(shí),在直角附近存在渦流,但其規(guī)模很小,速度很低(30 m/s左右)。圖3中,臺(tái)階背對來流方向,相比臺(tái)階迎對來流方向,此時(shí)產(chǎn)生的渦流要明顯的多,渦流幾乎占據(jù)了整個(gè)直角三角形的位置,并且渦流速度較高(達(dá)500 m/s)。圖4中,流線在凹坑內(nèi)產(chǎn)生了規(guī)則的渦流,渦流規(guī)模占據(jù)整個(gè)凹坑,渦流外圍速度較高(達(dá)350 m/s)。

圖2 臺(tái)階迎對來流流場情況

圖3 臺(tái)階背對來流流場情況

圖4 來流經(jīng)過凹坑時(shí)的流場情況

燒蝕臺(tái)階導(dǎo)致流線變化,產(chǎn)生渦流,造成能量損失,同時(shí)渦流的出現(xiàn)進(jìn)一步加劇了對壁面的沖刷燒蝕,有可能使熱防護(hù)失效。

3 燒蝕臺(tái)階對噴管性能的影響

應(yīng)用Fluent對噴管進(jìn)行內(nèi)流場計(jì)算,查看燒蝕臺(tái)階對噴管性能的影響。圖5為采用ICEM軟件劃分的計(jì)算網(wǎng)格。模型為噴管常規(guī)內(nèi)型面,喉徑為20 mm,入口尺寸為53 mm,出口尺寸為47 mm,擴(kuò)張比為5.5。

圖5 計(jì)算網(wǎng)格

求解采用基于密度的隱式算法,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型,各物理量的離散格式均為一階迎風(fēng)格式。邊界條件為：壓力入口為4 MPa；壓力出口為大氣壓；壁面為絕熱無滑移壁面。計(jì)算所采用的燃?xì)馕镄詤?shù)如表2所示。

表2 燃?xì)馕镄詤?shù)

3.1 臺(tái)階位置對噴管性能的影響

對有、無臺(tái)階的噴管內(nèi)型面分別進(jìn)行內(nèi)流場仿真計(jì)算,對比計(jì)算結(jié)果并分析臺(tái)階效應(yīng)的影響［6］。

圖6為正常內(nèi)型面的噴管速度矢量圖,速度平滑過渡,至出口處最大(達(dá)2 780 m/s)。圖7和圖8分別為喉襯前緣和后緣有臺(tái)階時(shí)的速度矢量圖,顯示喉襯前緣臺(tái)階處流線變化劇烈但并未出現(xiàn)渦流,而后緣有臺(tái)階的位置出現(xiàn)渦流,引發(fā)臺(tái)階效應(yīng)。圖9為臺(tái)階效應(yīng)局部速度矢量圖,可以看出,整個(gè)凹坑范圍內(nèi)形成明顯渦流,渦流外部速度達(dá)500 m/s左右,噴管在渦流的作用下燒蝕將嚴(yán)重加劇。

圖6 正常內(nèi)型面噴管速度矢量圖

圖7 喉襯前緣有臺(tái)階時(shí)的速度矢量圖

圖8 喉襯后緣有臺(tái)階時(shí)的速度矢量圖

圖9 臺(tái)階效應(yīng)局部速度矢量圖

表3為有、無臺(tái)階效應(yīng)時(shí)的噴管性能數(shù)據(jù)對比,可以看出,當(dāng)喉襯下游出現(xiàn)臺(tái)階時(shí)易引發(fā)臺(tái)階效應(yīng),造成噴管燒蝕嚴(yán)重,推力損失很大(13%)。喉襯前緣有臺(tái)階時(shí),性能影響不大。

表3 有無臺(tái)階噴管性能數(shù)據(jù)對比

3.2 不同臺(tái)階尺寸對噴管性能的影響

假定噴管擴(kuò)張段內(nèi)型面線性燒蝕,計(jì)算喉襯后緣臺(tái)階深度分別為1mm,2 mm,3 mm時(shí)的噴管內(nèi)流場,比較臺(tái)階深度對噴管性能的影響。

圖10所示為不同臺(tái)階深度時(shí)渦流的速度云圖。圖10(a)中,臺(tái)階深度1 mm時(shí),還不足以形成渦流；圖10(b)中,臺(tái)階深度2 mm時(shí),出現(xiàn)渦流,速度約300 m/s；圖10(c)中,臺(tái)階深度3 mm時(shí),渦流明顯加大,速度也有所提高,可以達(dá)到450 m/s左右。圖11顯示了不同臺(tái)階深度時(shí)的局部渦流。

圖10 不同臺(tái)階深度時(shí)渦流的速度云圖

圖11 不同臺(tái)階深度的局部渦流

表4為計(jì)算得到的不同臺(tái)階深度時(shí)的噴管性能數(shù)據(jù)。

表4 不同臺(tái)階深度時(shí)的噴管性能數(shù)據(jù)

隨著臺(tái)階深度增加,渦流產(chǎn)生且速度越來越高,噴管推力和比沖均有所減小。但由于臺(tái)階后的擴(kuò)張段內(nèi)型面過渡相對較平緩,性能損失比凹坑式的臺(tái)階小。

4 結(jié) 論

(1)噴管設(shè)計(jì)中,由于材料燒蝕率的不同,燒蝕臺(tái)階是不可避免的,燒蝕臺(tái)階會(huì)對噴管產(chǎn)生不利影響,造成性能損失,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致熱防護(hù)失效,發(fā)動(dòng)機(jī)工作失?。?/p>

(2)喉襯后緣有臺(tái)階比前緣有臺(tái)階對流場影響更大,更易引發(fā)臺(tái)階效應(yīng),噴管的燒蝕和性能損失也更大,因此后緣臺(tái)階更要著重避免；

(3)后緣臺(tái)階深度較小時(shí)不會(huì)引發(fā)臺(tái)階效應(yīng),隨臺(tái)階深度不斷增加,出現(xiàn)臺(tái)階效應(yīng),噴管損失也逐漸加大；

(4)燒蝕臺(tái)階的預(yù)防可采取選用燒蝕率相近的材料、對接面應(yīng)避免位于內(nèi)型面明顯變化之處、喉襯后緣過渡一種中等燒蝕材料等措施。

［1］陳汝訓(xùn).固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與研究［M］.北京：中國宇航出版社,2004.

［2］李建利,趙帆,張?jiān)?等.碳纖維及其復(fù)合材料在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.合成纖維,2014,43(3)：33-35.

［3］張曉光,王長輝,劉宇,等.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)碳基材料噴管熱化學(xué)燒蝕特性［J］.推進(jìn)技術(shù),2012,33(1)：93 -97.

［4］查柏林,黃定園,喬素磊,等.C/C復(fù)合材料燒蝕試驗(yàn)及燒蝕機(jī)理研究［J］.固體火箭技術(shù),2013,36(5)：692-696.

［5］Farhan S,LiK,Guo L,etal.Effectof Density and Fibre Orientation on the Ablation Behaviour of Carbon-Carbon Composites［J］.New Carbon Materials,2010,25(3)：161-167.

［6］溫瑞珩,鄭守鐸,葉瑋.發(fā)動(dòng)機(jī)用碳/酚醛材料燒蝕影響因素分析［J］.新材料產(chǎn)業(yè),2013(4)：40-43.

［7］ThaKre P,Yang V.Chemical Erosion of Carbon-Carbon/ Graphite Nozzle in Solid-Propellant RocKet Motors［J］. Journal of Propulsion and Power,2008,24(4)：822-833.

［8］李陽,張國偉,張國棟.基于FLUENT的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管流場數(shù)值模擬［J］.機(jī)電技術(shù),2013(3)：13-15.

［9］劉敦啟,張澤遠(yuǎn).固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)長尾噴管內(nèi)襯燒蝕流場分析［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2011,31(2)：127-129.

［10］陳劍,魏祥庚,李江,等.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)長尾噴管燒蝕實(shí)驗(yàn)研究［J］.固體火箭技術(shù),2010,33(1)：34 -35.

［11］張研,齊歆,郭建忠,等.基于燒蝕理論的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)構(gòu)傳熱數(shù)值模擬［J］.機(jī)械制造,2013, 51(7)：27-31.

［12］鄭曉亞,王衛(wèi)祥,蔡飛超,等.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管熱機(jī)構(gòu)一體化計(jì)算［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2012,27 (9)：2122-2127.

Analysis of Ablation Step Phenomenon and Its Influence on the Performance of Nozzle

Shang Yongteng
(China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China)

The inner surface of nozzle consists of differentmaterials and the ablation step is inevitable on the interface ofmaterials.Analysis of ablation step phenomenon and its cause of formation and bad influence are explained in this paper.The influence of ablation step on local flow field is simulated to show different vortex.Calculation of nozzle flow field with different step location and depth ismade to display its effect on the performance of nozzle.The results indicate that the large ablation step behind the throat hasmuch influence on nozzle performance so that itmust be avoided in the design of nozzle.

ablation step；step effect；local flow field；nozzle flow field

V435+.14

A

1673-5048(2015)03-0044-04

2014-12-01

尚永騰（1987-），男，山東德州人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管設(shè)計(jì)。