朱 艷，周一磊

0 引 言

利用固體火藥燃燒快速而大量的產(chǎn)生氣體，將燃氣通過排氣結構排放到某一需要部位的排氣系統(tǒng)是工程上常見的一種系統(tǒng)裝置。在這類排氣系統(tǒng)的排氣結構內(nèi)流道設計過程中，存在如下問題：

a）排氣系統(tǒng)出口的外界環(huán)境壓力多變且隨機，如何使排氣系統(tǒng)適應復雜多變的外界環(huán)境而實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的排氣；

b）固體火藥產(chǎn)氣裝置燃燒室內(nèi)部壓力較高，一般在5 MPa以上，有的甚至能夠達到數(shù)十兆帕，如何有效降低排氣結構內(nèi)部壓力，以便降低結構、防熱和密封等的設計難度，實現(xiàn)優(yōu)化設計。

工程上一般通過設置孔板、閥門等流體控制元件對流動過程的壓力及流量來進行控制。文獻[1]利用多路并聯(lián)孔板、電磁閥、控制器等建立變推力發(fā)動機試驗臺貯箱自動增壓系統(tǒng)，實現(xiàn)對液體火箭發(fā)動機試驗用推進劑貯箱內(nèi)部壓力的自動化高精度調(diào)節(jié)；文獻[2]梳理了孔板節(jié)流在液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)中的各種應用，并提出利用多級孔板節(jié)流來防止汽蝕，提高孔板節(jié)流效果的方案；文獻[3]介紹了計算多級孔板組件節(jié)流效應的CFD仿真方法；文獻[4]介紹了一種過熱蒸汽降溫減壓用的文丘里式噴水型閥門技術方案。其中，通過縮小流道面積形成的孔板節(jié)流結構形式簡單、工作可靠，同時能夠通過節(jié)流處形成聲速臨界流動來隔離下游壓力波動對上游的影響，且通過合理設置多個節(jié)流環(huán)節(jié)可以相對靈活地調(diào)節(jié)內(nèi)流道不同位置的內(nèi)部壓強，從而解決前文提到的兩個問題。為此，本文以某一典型排氣系統(tǒng)為研究對象，介紹一種利用兩個節(jié)流環(huán)節(jié)優(yōu)化流道內(nèi)部壓力分布，提高系統(tǒng)對外界環(huán)境適應性的設計方法和設計參數(shù)工程計算分析方法[5]，在此基礎上，利用CFD仿真分析以及地面試驗驗證了相關設計與分析方法的正確性與可行性。

1 典型燃氣排放系統(tǒng)

典型燃氣排放系統(tǒng)由氣體發(fā)生器和排氣結構組成，如圖1所示。氣體發(fā)生器內(nèi)部裝有固體產(chǎn)氣藥劑，工作時藥劑燃燒產(chǎn)生燃氣，排氣結構根據(jù)排氣要求在一個匯總管道上設置若干分支排氣管，燃氣進入?yún)R總管后通過多個排氣管向外排出。

圖1 典型燃氣排放系統(tǒng)示意Fig.1 Sketch of Typical Gas Emission System

2 多節(jié)流環(huán)節(jié)的內(nèi)流道設計方案

為了保證氣體發(fā)生器內(nèi)部裝藥能夠快速穩(wěn)定燃燒，同時將高壓區(qū)域封閉在氣體發(fā)生器燃燒室內(nèi)部，首先需要在氣體發(fā)生器出口設置一個節(jié)流喉道；然后，為了使外界環(huán)境壓力的隨機波動不影響排氣結構內(nèi)部流動，同時將排氣結構內(nèi)部壓力控制在一個合理的范圍內(nèi)，需要在出氣管位置設置一個節(jié)流環(huán)節(jié)，為此可設計一種帶有兩處節(jié)流環(huán)節(jié)的內(nèi)流道方案，節(jié)流環(huán)節(jié)示意如圖2所示，系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖2 內(nèi)流道兩處節(jié)流環(huán)節(jié)示意Fig.2 Sketch of Two Throttles in Internal Flowpath

圖3 燃氣排放系統(tǒng)示意Fig.3 Sketch of Gas Emission System

在設置兩處節(jié)流環(huán)節(jié)的基礎上，通過合理的流道節(jié)流面積參數(shù)選取，使上述兩處節(jié)流環(huán)節(jié)均達到臨界流動狀態(tài)，在此情況下，可利用聲速臨界流動的特性來隔離下游波動對上游的影響，并通過調(diào)節(jié)下游節(jié)流環(huán)節(jié)（排氣管出口）的流道面積，將排氣結構內(nèi)部壓力控制在合理范圍，從而實現(xiàn)內(nèi)流道優(yōu)化設計。

3 內(nèi)流道特性工程分析方法

上述內(nèi)流道在進行流動特性和主要參數(shù)設計分析過程中，可將其簡化為一個帶有串聯(lián)孔板的一維管流模型[6]，如圖4所示。

圖4 流動特性分析簡化模型示意Fig.4 Simplified Analysis Model of Flow Teatures

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，兩處節(jié)流位置質(zhì)量流量相同，即：

不同流動狀態(tài)下孔板質(zhì)量流量計算公式為

式中 ε為膨脹系數(shù)；A為流道面積；Ρ為來流壓力；ΡΔ為上下游壓差；R為氣體常數(shù)；T為氣體總溫；γ為氣體比熱比；q(λ)為流量函數(shù)，其中：λ為無量綱速度[7]。

式（2）適用于 Ρ下游/Ρ上游為 0.75～1時的低速流動的質(zhì)量流量計算，式（3）適用于Ρ下游/Ρ上游≤0.75時的質(zhì)量流量計算。

針對串聯(lián)孔板流道結構，將式（2）或式（3）代入式（1），可以得到一個質(zhì)量守恒方程，以系統(tǒng)上下游壓力比Ρ1/Ρ2、前后孔板面積比A1/A2這兩個無量綱數(shù)為變量，其他修正系數(shù)、氣體物性參數(shù)、溫度等均為已知量，然后再分別引入式（4）和式（5）作為邊界條件，其中式（4）代表下游孔板達到的臨界狀態(tài)，式（5）代表上游孔板達到的臨界狀態(tài)，即：

式中cx為臨界壓力比，

對式（1）～（5）進行數(shù)值求解，就可得到不同壓比（Ρ1/Ρ2）和面積比（A1/A2）狀態(tài)下這兩處節(jié)流位置流動狀態(tài)分布圖，結果如圖5所示。

圖5 節(jié)流位置流動狀態(tài)分布Fig.5 Distribution of Flow Status for Two-throttle flow

從圖 5可以看出，在不同參數(shù)搭配下，雙孔板串聯(lián)的內(nèi)流道結構根據(jù)兩處節(jié)流環(huán)節(jié)是否處于臨界流動可以分為2類4種不同流動狀態(tài)：

a）雙孔板均不出現(xiàn)臨界流動，即圖5中IV區(qū)內(nèi)；此時，由于上下游壓比過低，導致兩處節(jié)流環(huán)節(jié)上下游壓比均無法達到臨界狀態(tài)。

b）下游壓比足夠時，雙孔板可以單個或兩個同時出現(xiàn)臨界流動：

1）上下游壓比足夠，但下游孔板面積偏小，此時下游孔板（排氣管出口）雖為臨界流動，但出口流量小，兩孔板間壓力偏高，使得上游孔板（氣體發(fā)生器喉道）節(jié)流位置前后壓比達不到臨界狀態(tài)，形成非臨界流動，即圖5中II區(qū)；

2）上下游壓比足夠，但下游孔板面積偏大，此時上游孔板（氣體發(fā)生器喉道）為臨界流動，但下流孔板面積過大，兩孔板間腔體難以建壓，使得下游孔板（排氣管出口）節(jié)流位置前后壓比達不到臨界狀態(tài)，形成非臨界流動，即圖5中III區(qū)；

3）上下游壓比足夠，且上下游孔板面積比適當，使得兩孔板間的腔內(nèi)壓力能夠同時滿足兩處節(jié)流位置均為臨界流動狀態(tài)，即圖5中I區(qū)。

由上述分析可知，要使得兩處節(jié)流均為臨界狀態(tài)，就要求面積比（A1/A2）、壓力比（Ρ1/Ρ2）均落在I區(qū)內(nèi)。典型燃氣排放結構的參數(shù)選取與分析過程如下：

a）根據(jù)氣體發(fā)生器裝藥燃燒性能及內(nèi)彈道設計情況，選定氣體發(fā)生器燃燒室平衡壓力 Ρ1；本文例中氣體發(fā)生器室壓為10 MPa，考慮外界環(huán)境壓力Ρ2的變化范圍為 0.01～0.2 MPa，則對應 Ρ1/Ρ2≥ 50。

b）根據(jù)上下游壓比（Ρ1/Ρ2）范圍，在計算結果中選擇能夠確保落在I區(qū)的上下游節(jié)流面積比（A1/A2）范圍，本文例中，當Ρ1/Ρ2≥50時，按圖5所示，A1/A2取在 0.2～0.4之間能夠確保兩處節(jié)流均為臨界狀態(tài)且具有一定裕度，由此選取中值0.3，即為圖5所示的設計狀態(tài)所處區(qū)域。

c）確定上下游節(jié)流面積比（A1/A2）后，根據(jù)氣體發(fā)生器裝藥量、質(zhì)量流量、工作時間等，完成氣體發(fā)生器喉道設計，確定氣體發(fā)生器喉道，進而確定排氣管出口面積；本文例中氣體發(fā)生器喉道面積A1為2450 mm2，由面積比0.3計算得到單組排氣結構的排氣管出口總面積A2為8167 mm2；若排氣結構設置為10個排氣管，則管內(nèi)徑為32 mm。

d）在主要流道設計參數(shù)確定的基礎上，假設兩處節(jié)流環(huán)節(jié)的流量修正系數(shù)相同，且忽略流動過程的溫度變化，可以得出，由此計算得出排氣結構內(nèi)部平均壓力為3 MPa。

采用上述工程計算與分析方法，可以從整體的角度全面了解相關設計參數(shù)對內(nèi)流道流動狀態(tài)的影響，明確設計邊界和裕度，對設計參數(shù)進行合理地選擇和優(yōu)化調(diào)整。在雙孔板串聯(lián)內(nèi)流道設計的基礎上采用相同思路進行拓展，實現(xiàn)多節(jié)流環(huán)節(jié)的內(nèi)流道設計，通過多個限流環(huán)節(jié)可將內(nèi)流道結構劃分為不同區(qū)域，實現(xiàn)不同區(qū)域流動特性、壓力等的匹配與調(diào)節(jié)，具有工程實際意義。

4 CFD仿真分析及試驗驗證情況

4.1 仿真分析

為了驗證上述工程設計與分析方法，針對本文中的設計案例，采用 Fluent軟件開展了內(nèi)流道的三維CFD仿真計算，部分流場特征計算結果如圖 6、圖 7所示。由于流場結構具有面對稱性，計算時采用了面對稱處理[8]。

圖6 內(nèi)流道速度矢量云圖Fig.6 Velocity Vector Contour of Internal Flowpath

從CFD仿真計算結果來看，雖然流場存在一定的不均勻性，但是氣體發(fā)生器出口和排氣管出口這兩處節(jié)流環(huán)節(jié)均達到了臨界流動，排氣結構中除了正對氣體發(fā)生器出口部位壓力偏高以外，其他大部分區(qū)域壓力基本在2.6～3.2 MPa之間，與工程計算得到的3 MPa基本吻合。

圖7 流場特征分析云圖Fig.7 Contours of Pressure and Temperature

4.2 試驗分析

對本文設計的燃氣排放結構開展了多發(fā)次的地面試驗，試驗過程中實測了氣體發(fā)生器內(nèi)部壓力與排氣結構內(nèi)部壓力，試驗結果如圖8、圖9所示。

圖8 氣體發(fā)生器燃燒室壓力曲線Fig.8 Pressure Curve of Conbustor of Gas Generator

圖9 排氣結構壓力曲線Fig.9 Pressure Curve of Exhaust Structure

根據(jù)試驗實測結果，氣體發(fā)生器燃燒室內(nèi)壓峰值約12 MPa，均值約10.5 MPa，對應排氣結構內(nèi)部壓力峰值約3.5 MPa，均值約2.8 MPa，與工程計算得到的3 MPa基本吻合，表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，工程設計方法合理、可行。

5 結 論

節(jié)流是調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)壓力與流量的一種有效措施，針對外界復雜壓力環(huán)境適應性以及實現(xiàn)內(nèi)流道各區(qū)域流動特性與壓力等的匹配調(diào)節(jié)等問題，本文提出了一種多節(jié)流環(huán)節(jié)的內(nèi)流道設計方法；通過壓比與節(jié)流面積比的匹配設計實現(xiàn)上述設計目標，同時還基于一維管流相關理論給出了多節(jié)流環(huán)節(jié)的內(nèi)流道主要設計參數(shù)與流動特性的工程計算分析方法，并利用CFD仿真計算和地面試驗對該分析方法進行了對比驗證。相關結果表明：采用多節(jié)流環(huán)節(jié)的內(nèi)流道結構能夠實現(xiàn)預期的流場特性控制，提出的工程計算方法能夠較為準確地反映排氣系統(tǒng)內(nèi)流道的整體特性。

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