王金金，查柏林，張 煒，張 艷

(1. 火箭軍工程大學(xué)，西安 710025；2. 西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

0 引 言

在火箭發(fā)動機工作過程中，發(fā)動機內(nèi)壁長時間處于高溫、高壓、高速多相射流環(huán)境中[1-2]。發(fā)動機內(nèi)壁絕熱材料性能，尤其是耐燒蝕性能的優(yōu)劣，對發(fā)動機整體性能有著相當大的影響。絕熱材料燒蝕問題是火箭發(fā)動機熱結(jié)構(gòu)設(shè)計中的核心問題之一[3]。

絕熱材料燒蝕過程極其復(fù)雜，影響因素眾多，包括材料自身成分和燒蝕環(huán)境參數(shù)，其中燒蝕環(huán)境因素包括燃氣的速度、溫度、壓力、粒子作用、燃氣成分等。為探索不同燃氣環(huán)境下絕熱材料的燒蝕性能，國內(nèi)外研發(fā)了不同的燒蝕試驗設(shè)備，并開展了大量燒蝕試驗。早在上世紀60年代，美國Lundell等[4]研發(fā)設(shè)計了一套熱化學(xué)燒蝕試驗系統(tǒng)，通過輻射加熱改變環(huán)境溫度，控制氣體組分等手段對酚醛和聚酰胺纖維等進行了燒蝕性能測試。此外，國內(nèi)外學(xué)者均以熱重分析(TGA)為主要實驗手段研制和探究絕熱材料燒蝕機理[5-7]。該方法通過程序控制溫度，測量待測樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系，進而研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。但是，這幾種方法只能提供高溫熱環(huán)境，無法考察射流沖刷和粒子侵蝕對材料的影響。美國航空宇航局(NASA)馬歇爾空間飛行中心篩選出可用于火箭發(fā)動機各種絕熱材料性能測試的燒蝕發(fā)動機[8]，該設(shè)備總體性能優(yōu)異，但成本過高，不適合材料的前期研究。氧-乙炔燒蝕試驗法以乙炔為燃料，氧氣為助燃劑，通過點火燃燒形成燒蝕射流，同其他燒蝕系統(tǒng)相比，更加經(jīng)濟實用，且能提供一定的射流速度，在絕熱材料燒蝕試驗中得到廣泛的應(yīng)用[9-12]。等離子燒蝕試驗系統(tǒng)通過高壓電弧電離工作介質(zhì)形成高溫射流，溫度可高達5000 K以上，也被應(yīng)用于材料耐高溫燒蝕性能測試研究[13]。氧-乙炔燒蝕試驗系統(tǒng)和基于離子加熱器的燒蝕試驗系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低，且能提供低速射流的優(yōu)點，但射流由氣相或者離子態(tài)組成，與發(fā)動機中的多相射流相差較大。何國強、李江等[14-16]設(shè)計的收縮管燒蝕測試裝置對碳纖維EPDM材料、丁腈絕熱材料、高硅氧/酚醛和石棉/酚醛模壓材料等進行了測試，考察了粒子對材料的侵蝕行為，在燒蝕領(lǐng)域取得了很多顯著的成果。但是該設(shè)備成本相對較高，且需在粒子速度和濃度測量上做進一步改進。

本文以氧-煤油燒蝕試驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，首次采用氧化硼(B2O3)粉末為添加粒子，形成與火箭發(fā)動機內(nèi)部相似的多相流，具有燒蝕條件可調(diào)、粒子狀態(tài)明確、成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。通過數(shù)值仿真和測量分析，探索了該多相流燒蝕試驗技術(shù)的特點和優(yōu)勢。并驗證B2O3粒子模擬凝聚相粒子的可行性。在此基礎(chǔ)上，開展多相流環(huán)境下硅橡膠絕熱材料燒蝕試驗，檢驗氧-煤油燒蝕系統(tǒng)的可行性。

1 試驗設(shè)備及原理

氧-煤油燒蝕試驗系統(tǒng)由供氣系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和燒蝕試驗臺組成。其工作原理如下：以氧氣為助燃劑、航空煤油為燃料，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)對氧和煤油輸入量的精確控制。航空煤油和氧氣通過輸送管路進入燒蝕發(fā)動機，經(jīng)霧化、混合和點火后形成高溫高壓的燃氣，燃氣通過拉瓦爾噴管加速形成試驗射流。粒子通過送粉系統(tǒng)注入高溫射流中，與氣相射流混合后形成多相流。

該系統(tǒng)的優(yōu)點是可通過送粉系統(tǒng)向射流中注入粒子，與氣相射流混合形成多相流，并可通過調(diào)整煤油與氧氣流量、試樣角度、粒子輸入量等參數(shù)控制射流的富氧度、燒蝕角度、粒子濃度，模擬各種發(fā)動機工作過程中的燒蝕工況。燒蝕系統(tǒng)可連續(xù)穩(wěn)定工作300 s以上，粒子濃度范圍為0～30%，富氧度調(diào)節(jié)范圍為-10～30%，具有成本低、穩(wěn)定性好、可控性強的優(yōu)點。

2 流場分析

2.1 物理模型及邊界條件

氧-煤油燒蝕試驗焰流具有高溫高速的特征，依靠現(xiàn)有的測量手段還不能完全測量其流場的分布特征，而計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值仿真是目前分析流場特征應(yīng)用比較廣泛的一種方法。本文先采用CFD數(shù)值模擬對氧-煤油燒蝕試驗系統(tǒng)燃氣發(fā)生器射流特征進行模擬分析，再通過與實際溫度測試結(jié)果對比，達到驗證仿真結(jié)果準確性的目的。

圖3 計算網(wǎng)格

如圖2所示，經(jīng)歸一化處理后，發(fā)動機燃燒室內(nèi)徑為30，喉部直徑為8，出口直徑為16。劃分網(wǎng)格后，網(wǎng)格數(shù)為210萬。

數(shù)值計算采用基于密度的理想氣體模型。燃氣發(fā)生器入口采用壓力入口邊界，壓力根據(jù)實際工況設(shè)定，總溫為3410 K；出口采用遠場壓力邊界，壓力為0.1 MPa，溫度為300 K。燃燒室壁面采用循環(huán)冷卻水冷卻，冷卻水流量為2 m3/s，前后溫差約為10 ℃，比熱容為4.2 kJ/kg，燃燒室壁面面積為0.039 m2，發(fā)動機表面對外熱流密度約為600 kW/m2，故設(shè)置壁面的熱流密度為-600 kW/m2。

4）系統(tǒng)耗電量、耗水量偏大。系統(tǒng)安裝電動機共6臺，每年耗電量約5.6×104kWh；同時反洗MBR需要使用清潔的淡水，系統(tǒng)每運行1 h自動反洗2 min，每年消耗淡水量約1440 m3。

2.2 湍流模型

為了便于研究，氣相控制方程采用三維雷諾平均N-S方程。

(1)

式中：W為守恒向量，F(xiàn)(W)、G(W)分別為有黏和無黏通量,H為體積力或者化學(xué)反應(yīng)模型的源項。

流場分析采用的湍流模型有k-ε湍流模型、k-ω湍流模型等。其中，標準k-ε湍流模型在流場計算中相對成熟穩(wěn)定，因此本文采用標準k-ε湍流模型對氧-煤油燒蝕發(fā)動機進行數(shù)值分析。標準k-ε湍流模型是半經(jīng)驗公式，通過湍流動能k和擴散率ε求解，方程形式如下：

(2)

(3)

式中：Gk、Gb分別為層流速度梯度和浮力引起的湍流動能，YM為可壓縮流湍流過渡過程中產(chǎn)生的波動，C1ε，C2ε，C3ε為常數(shù)，σk和σε是k方程和ε方程的湍流普朗特數(shù)。

2.3 射流特征分析

選擇入口壓力分別為0.3、0.5和0.7 MPa進行CFD數(shù)值仿真分析。圖4為燃燒室壓力為0.7 MPa條件下的射流溫度云圖和實際試驗中的射流波系結(jié)構(gòu)特征。從圖中可以看出，燃氣射流進入空氣后沿軸向方向運動，并形成6個亮斑，該亮斑為射流在運動過程中形成的激波。仿真結(jié)果中的波節(jié)分布和試驗中觀察的波節(jié)分布在空間分布上一致。

圖4 射流流場波系結(jié)構(gòu)對比(0.7 MPa)

圖5 仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比

圖6 不同壓力下的射流速度曲線

圖5和圖6為三種不同工況條件下，射流中心軸線方向上的溫度曲線、速度曲線和實際溫度測量值。由圖可知，實際測量溫度和仿真結(jié)果基本吻合，因此仿真結(jié)果可作為流場分析依據(jù)。從圖5和圖6可知，燃氣的溫度和速度開始隨著射流激波的變化震蕩，后期逐漸下降；燃燒室壓力一定的條件下，軸向不同位置的射流溫度和速度不一樣；燃燒室壓力改變時，相同位置的溫度和速度改變。從圖中還可以看出，射流中相對穩(wěn)定的燃氣溫度范圍為500～2700 K，速度范圍為200～1500 m/s。因此，可通過調(diào)整燃燒室壓力和燒蝕位置，改變射流溫度和速度等參數(shù)，實現(xiàn)測試工況和實際燒蝕工況的一致的目的。綜上，氧-煤油燒蝕試驗射流的溫度可在500～2700 K范圍連續(xù)可調(diào)，射流速度可在200～1500 m/s范圍連續(xù)可調(diào)，具有適應(yīng)各種燒蝕工作環(huán)境且可調(diào)可控的優(yōu)點。

3 顆粒特征分析

試驗以B2O3顆粒為侵蝕粒子，通過送粉器輸送到高溫射流中。由于B2O3的熔點為723 K，沸點為2158 K，熔沸點溫差較大，粒子在射流中短暫停留，而不至于完全蒸發(fā)。為了觀察粒子受熱后的形貌，在射流末端增加收集裝置，射流中B2O3顆粒沖刷沉積在收集裝置中。

圖7 B2O3顆粒熔化前后SEM圖

圖7為B2O3顆粒受熱前后的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，B2O3粒子受熱前表面存在加工后留下的明顯棱角，粒度分布不均。顆粒受熱后，棱角消失，表面發(fā)生熔化蒸發(fā)，粒徑減小，外形向球形顆粒轉(zhuǎn)變，粒子相互撞擊后黏附在一起，粒度較小的顆粒則直接熔化成液滴。文獻[17-18]通過采樣分析認為發(fā)動機中凝聚相顆粒的基本外形為球形，表面為液態(tài)層，內(nèi)部為無核、單核或者多核結(jié)構(gòu)。本試驗中，受熱熔化后的B2O3顆粒與凝聚相顆粒相似，可作為添加粒子用于模擬高溫射流中的凝聚相粒子。氣相射流加入B2O3粒子后形成與火箭發(fā)動機相似的多相流環(huán)境。

4 燒蝕試驗及結(jié)果分析

4.1 燒蝕試驗

為了進一步驗證燒蝕試驗系統(tǒng)的可靠性和可行性，本文以硅橡膠復(fù)合材料為燒蝕對象。根據(jù)文獻[19]和[20]某型火箭發(fā)動機燒蝕工況可知，其燒蝕溫度為1500～2000 K，氣流速度為300～500 m/s。經(jīng)過篩選，當燒蝕發(fā)動機燃燒室壓力為0.27 MPa時，距發(fā)動機出口位置95 mm處，射流溫度約為1800 K，中心速度為550 m/s，如圖8和圖9所示。

圖8 中心軸線方向的速度分布(0.27 MPa)

圖9 中心軸線方向的溫度分布(0.27 MPa)

經(jīng)計算，當煤油和氧氣的輸入量分別為338 slm(標況下L/min)、0.146 kg/min時，補燃室內(nèi)部的壓力約為0.27 MPa，滿足溫度和速度要求。B2O3粒子通過送粉器輸入射流中，燒蝕角度設(shè)置為30°，燒蝕時間30 s。選用尺寸為50 mm×50 mm×10 mm的硅橡膠絕熱材料試樣作為燒蝕對象，燒蝕過程如圖10所示。相同濃度下，各完成三組試驗，外加一組不添加粒子試驗組作為對照，試驗方案如表1所示。

表1 燒蝕試驗方案Table 1 Condition of the ablation test

圖10 粒子侵蝕效果圖

試驗后，通過式(4)和式(5)計算質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率，試驗結(jié)果做平均處理。

(4)

(5)

式中：Rm和Rl分別為質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率，m1和m2為燒蝕前后質(zhì)量,d1和d2為燒蝕前后厚度,Δm和Δd燒蝕前后質(zhì)量差和厚度差,t為燒蝕時間。

4.2 燒蝕結(jié)果分析

硅橡膠絕熱材料燒蝕后，采用精密電子天平和千分尺測量并計算試樣的燒蝕率，結(jié)果如表3所示。

表2 燒蝕試驗結(jié)果Table 2 Results of ablation test

由表2可知，加入粒子以后硅橡膠的質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率出現(xiàn)大幅度提高，且隨侵蝕粒子濃度增加而增加，文獻[21]的收縮管試驗中，材料的燒蝕率介于0.1～0.8 mm/s之間，且隨著粒子濃度增加而增加，燒蝕結(jié)果和規(guī)律與本試驗結(jié)果相近。

圖11 試樣燒蝕表面形貌

圖11為粒子濃度為0和3%燒蝕后的試樣表面。如圖11所示，濃度為0時，試樣外形基本保持完整，表面出現(xiàn)白色的SiO2覆蓋物和大量的微小氣孔。氣孔是熱分解氣體通過熔融的SiO2層表面時形成的。圖11(b)試樣表面出現(xiàn)明顯的燒蝕坑，燒蝕坑附近有較大的氣孔和鼓泡，表面的SiO2覆蓋層較圖11(a)明顯更厚。這是由于B2O3粒子的加入，促使射流的侵蝕環(huán)境變得更加惡劣，隨著粒子濃度的增加，單位面積上受粒子撞擊的次數(shù)增加。粒子碰撞加劇絕熱材料表層結(jié)構(gòu)剝落，促使熱流向內(nèi)部滲透，促進材料的熱分解，形成更多的熱解氣體和SiO2，氣體排放的過程中聚集并在材料表面形成鼓泡，SiO2則在表面堆積形成白色覆蓋層。

圖12 試樣燒蝕剖面

圖12為試樣剖面圖。從圖中可以看出，燒蝕后材料剖面直接出現(xiàn)了明顯的分層。表面黑色部位為炭化層，底層黃色部位為基體層，兩層間有一層厚度較小的焦黃色材料層為熱解層，燒蝕形貌與文獻[22]等關(guān)于硅橡膠復(fù)合材料燒蝕結(jié)果一致。對比圖12(a)和(b)，可以看出，加入粒子以后，炭化層完整性被破壞，材料總厚度明顯減小，熱解層厚度增加，說明粒子的加入加劇了熱流滲透，對硅橡膠復(fù)合材料的熱防護產(chǎn)生了顯著影響[14]。

綜上，硅橡膠復(fù)合材料驗證試驗結(jié)果與相關(guān)多相流燒蝕試驗結(jié)果相近，燒蝕結(jié)構(gòu)和燒蝕機理與硅橡膠復(fù)合材料燒蝕機理一致。

5 結(jié) 論

1)通過射流仿真與試驗測量對比分析，氧-煤油燒蝕試驗系統(tǒng)的射流溫度在500～2700 K范圍連續(xù)可調(diào)，射流速度在200～1500 m/s范圍連續(xù)可調(diào)，且燒蝕角度和粒子濃度可控，系統(tǒng)可長時間工作，成本低，性能穩(wěn)定，適應(yīng)各種燒蝕工作環(huán)境。

2)在高溫射流中，B2O3粒子表面發(fā)生熔化，棱角消失，形成帶有液膜的粒子，高溫射流狀態(tài)下的B2O3粒子和發(fā)動機中的凝聚相粒子相似，可用于模擬火箭發(fā)動機中的凝聚相粒子，氧-煤油燃燒形成的氣相射流加入B2O3粒子后形成與發(fā)動機內(nèi)等效的多相流。

3)驗證試驗中，粒子的加入對材料燒蝕率產(chǎn)生了顯著影響，燒蝕率與相關(guān)多相流燒蝕試驗結(jié)果相近，燒蝕結(jié)構(gòu)和燒蝕機理與硅橡膠燒蝕機理一致。該設(shè)備可用于模擬多相流環(huán)境中的絕熱材料燒蝕研究。