孫善秀，葉 超，范稀木，張 鷺，陳二鋒

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2.深低溫技術(shù)研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100076）

0 引言

液體運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)是火箭推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分。增壓輸送系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)泵入口壓力要求向發(fā)動(dòng)機(jī)輸送推進(jìn)劑，同時(shí)維持貯箱結(jié)構(gòu)承載所需的壓力，其能否正常工作直接關(guān)系到運(yùn)載火箭的飛行成敗[1]。增壓輸送系統(tǒng)中包含大量的管路，涉及氣體、液體流動(dòng)，管路走向復(fù)雜，其中的三通、五通等結(jié)構(gòu)大量存在。

常規(guī)在役液體運(yùn)載火箭一級(jí)燃燒劑增壓系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱燃增壓系統(tǒng)）采用燃?xì)庾陨鰤海萌▽?shí)現(xiàn)地面加注排氣（液）與飛行箭上增壓管路的共用，飛行后的遙測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，多發(fā)次的燃增壓管入口壓力均發(fā)生過(guò)“壓力鼓包”現(xiàn)象，即入口壓力在工作段某一時(shí)刻突然陡增并維持該壓力水平一定時(shí)間，且發(fā)生時(shí)刻、發(fā)次具有一定的隨機(jī)性。新型低溫運(yùn)載火箭二級(jí)氧輸送系統(tǒng)采用五通進(jìn)行分流，將總管路中的液氧推進(jìn)劑分別輸送到4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行至某一時(shí)間后，發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力突然下跳。兩者具有一定的相似性，需要對(duì)壓力跳變的原因進(jìn)行研究。

1 研究現(xiàn)狀

圓管內(nèi)的流動(dòng)除了常見(jiàn)的直線流外，還存在一種特殊的流動(dòng)形式——螺旋流，如圖1所示。螺旋流由于介質(zhì)在管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)特性，在工業(yè)中常被用于強(qiáng)化換熱、清洗污垢。一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)上螺旋流通常由渦流發(fā)生器（切向進(jìn)流、安裝導(dǎo)流片或旋轉(zhuǎn)管道）產(chǎn)生。典型的螺旋紐帶裝置如圖2所示，通過(guò)在換熱管進(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，不斷地刮掃和撞擊管內(nèi)壁，從而達(dá)到清洗管內(nèi)污垢、抑制污垢沉積和強(qiáng)化傳熱的目的[2]。

除渦流發(fā)生器外，國(guó)外的學(xué)者們?cè)谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)一些特殊的管路結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生螺旋流。Horii等人[3,4]用空氣作為流動(dòng)介質(zhì)，在雷諾數(shù)分別為1.0×105及1.6×105的條件下，針對(duì)圖3a的裝置，通過(guò)子午面內(nèi)小孔徑向向心射入的進(jìn)流方式，用粒子顯示出非常穩(wěn)定的螺旋流的存在；其后又發(fā)現(xiàn)流體通過(guò)擴(kuò)散管+彎頭+收縮管（如圖3b）的裝置也能產(chǎn)生螺旋流。Horii等人[3,4]認(rèn)為前者是由于擴(kuò)張段的效果，后者是由于收縮段產(chǎn)生螺旋流的效果。隨后再次提出一種環(huán)狀軸對(duì)稱開(kāi)口徑向進(jìn)流加錐形收縮管（如圖3c）的螺旋流發(fā)生裝置，并進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用。產(chǎn)生螺旋流的特殊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 圓管內(nèi)的兩種典型流型示意Fig.1 Two Typical Flow Patterns in Circular Tubes

圖2 螺旋紐帶裝置示意Fig.2 Spiral Tie Device

圖3 幾種產(chǎn)生螺旋流的特殊結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Several Special Structures for Generating Spiral Flow

熊鰲魁等[5]針對(duì)圖3a的裝置開(kāi)展了介質(zhì)水的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)證實(shí)本裝置產(chǎn)生螺旋流的過(guò)程是不對(duì)稱的雙渦在相互作用后，卷吸合并為一個(gè)渦；在仿真方面，熊鰲魁等[6]認(rèn)為湍流模式是數(shù)值模擬螺旋流的一個(gè)主要障礙，并且對(duì)螺旋流的預(yù)測(cè)幾乎暴露了所有現(xiàn)有模式的不足。一般而言，渦粘性模式（標(biāo)準(zhǔn)k-ε、SST、k-w等）均不能有效反映湍流對(duì)流線彎曲的敏感性，也與螺旋流中顯著的各向異性以及雷諾應(yīng)力與平均變形的主軸不一致的特點(diǎn)不符，因此認(rèn)為渦粘性模式不太適用于螺旋的流動(dòng)。

目前，螺旋流的仿真應(yīng)用較多的是采用二階的重整化群 RNG”k-ε模型[7～9]。RNGk-ε模型是由瞬態(tài)的N-S方程導(dǎo)出的，運(yùn)用了RNG理論的數(shù)學(xué)技巧方法[10]，所以RNGk-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)瞬變流和流線彎曲影響的預(yù)報(bào)能力得到了加強(qiáng)。因此，本文后續(xù)的仿真均采用此湍流模型。

2 燃增壓管入口壓力鼓包現(xiàn)象分析

2.1 研究對(duì)象

常規(guī)在役液體運(yùn)載火箭一級(jí)燃增壓及溢出管系結(jié)構(gòu)如圖4所示。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的燃?xì)馔ㄟ^(guò)底端的自生增壓管入口流入管系，經(jīng)溢出管入口進(jìn)入燃箱，自生增壓管內(nèi)徑63 mm，通過(guò)三通與溢出管連接，三通主路內(nèi)徑104 mm，三通另一端連接安溢閥；溢出管內(nèi)徑100 mm，中心長(zhǎng)度9056.6 mm。

圖4 增壓及溢出管路模型示意Fig.4 Pressurizing and Over-flowing Pipeline Structure

多發(fā)次飛行過(guò)程中均發(fā)生過(guò)壓力鼓包現(xiàn)象，其特點(diǎn)為：a）發(fā)生時(shí)間具有隨機(jī)性，持續(xù)時(shí)間也具有隨機(jī)性；b）壓力鼓包的量級(jí)約0.04～0.05 MPa；c）壓力鼓包發(fā)生的同時(shí)，燃箱壓力并無(wú)明顯變化。

2.2 仿真模型

仿真模型采用商用流體力學(xué)計(jì)算軟件ANSYS CFX，湍流模型采用RNGk-ε模型。介質(zhì)為燃?xì)?，采用理想氣體模型，氣體常數(shù)為472.8 J/（kg·K），比熱為2616.88 J/（kg·K），動(dòng)力粘度為 1.90×10-5Pa·s。

增壓管入口為流量邊界，流量為0.96 kg/s，溫度為593 K；出口為壓力邊界，壓力為0.28 MPa。

2.3 仿真結(jié)果分析

對(duì)流項(xiàng)采用迎風(fēng)格式，仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖5中可知，增壓管入口壓力為0.321 MPa，三通連接閥門側(cè)壓力為0.302 MPa，管路總流阻為0.041 MPa。由于管路的折彎，使得三通出口處流線有一定的旋轉(zhuǎn)，但在沿管路流動(dòng)的方向上，旋流越來(lái)越弱，逐漸過(guò)渡到直線流。在三通截面處，未形成明顯的大渦結(jié)構(gòu)。

圖5 增壓管系流場(chǎng)云圖（迎風(fēng)格式）Fig.5 Cloud Map of Pressurizing Tube Flow Field(Upwind Scheme)

對(duì)流項(xiàng)采用高階格式，仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖6中可知，增壓管入口壓力為0.358 MPa，三通連接安溢閥門側(cè)壓力為0.308MPa，管路總流阻為0.078 MPa。與迎風(fēng)格式算法明顯不同的是，在三通內(nèi)形成了一個(gè)明顯的大渦結(jié)構(gòu)，并在溢出管內(nèi)形成較強(qiáng)的穩(wěn)定螺旋流。相比之下，三通的閥門側(cè)壓力并未顯著上升。

兩種算法均能得到一個(gè)收斂的穩(wěn)定解，其中一個(gè)解的溢出管內(nèi)為直線流，另一個(gè)解為螺旋流，直線流流阻0.041 MPa，螺旋流流阻0.078 MPa?；鸺龑?shí)際飛行通過(guò)遙測(cè)數(shù)據(jù)獲得的管系正常流阻約為0.047 MPa，壓力鼓包后的流阻約0.093 MPa，與數(shù)值仿真相當(dāng)。當(dāng)流型由直線流過(guò)渡到螺旋流時(shí)，由于增壓管入口流量、溫度并未發(fā)生變化，因此燃箱壓力無(wú)變化，但管路流阻增加，導(dǎo)致增壓管入口壓力上升，出現(xiàn)“壓力鼓包”現(xiàn)象。

圖6 增壓管系流場(chǎng)云圖（高階格式）Fig.6 Cloud Map of Pressurizing Tube Flow Field(High Resolution Scheme)

3 發(fā)動(dòng)機(jī)氧入口壓力下跳現(xiàn)象分析

3.1 研究對(duì)象

新型低溫運(yùn)載火箭二級(jí)氧輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，通過(guò)球形五通分流至4個(gè)分支輸送管后進(jìn)入Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖7 氧輸送管系結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structural Sketch of Oxygen Pipeline System

運(yùn)載火箭飛行過(guò)程中，Ⅱ、Ⅳ分機(jī)氧入口壓力在某一時(shí)間段出現(xiàn)壓力下跳，壓力下跳前后，發(fā)動(dòng)機(jī)流量、液氧溫度、與之連通的氧箱壓力并無(wú)明顯變化。

3.2 仿真模型

采用商用流體力學(xué)計(jì)算軟件ANSYS CFX，湍流模型采用RNG k-ε模型。介質(zhì)為液氧，采用“Isothermal”流體模型，液體密度為1142.8 kg/m3，動(dòng)力粘度為1.96×10-4Pa·s。

五通入口為壓力邊界，壓力為0.40 MPa；出口為流量邊界，各分支管流量為38.6 kg/s。

3.3 仿真結(jié)果分析

邊界條件完全對(duì)稱時(shí)，仿真計(jì)算結(jié)果如圖8所示。從圖8中可知，在五通內(nèi)部形成了對(duì)渦，五通內(nèi)流場(chǎng)為鏡面對(duì)稱，4個(gè)分支管出口壓力一致。

圖8 氧輸送管系流場(chǎng)云圖（邊界條件對(duì)稱）Fig.8 Cloud Map of Oxygen Pipeline Flow Field(Symmetrical Boundary Conditions)

通過(guò)在五通壓力入口處引入速度方向的偏離，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，使五通內(nèi)產(chǎn)生初始擾動(dòng)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展瞬態(tài)計(jì)算，仿真計(jì)算結(jié)果如圖9所示。從圖9中可知，擾動(dòng)條件下，五通內(nèi)形成了一個(gè)穩(wěn)定的縱向渦結(jié)構(gòu)，使得兩對(duì)稱分支管形成明顯的螺旋流，局部流阻明顯增加，由于五通入口壓力不變，從而使兩分支管出口壓力出現(xiàn)明顯下跳。相比其余兩分支管，壓力下跳的幅值為0.062 MPa，與飛行遙測(cè)數(shù)據(jù)獲得的下跳量級(jí)0.085 MPa相當(dāng)。

圖9 氧輸送管系流場(chǎng)云圖（入口有干擾）Fig.9 Cloud Map of Oxygen Pipeline Flow Field(Entrance Disturbed)

4 壓力跳變機(jī)理分析

從Horii等[3,4]提出的產(chǎn)生螺旋流的3種裝置分析中發(fā)現(xiàn)該裝置存在兩個(gè)共同點(diǎn)：一是在裝置幾何形狀上都有一段收縮段；二是流體都經(jīng)過(guò)較大角度的轉(zhuǎn)彎。

常規(guī)在役液體運(yùn)載火箭一級(jí)燃增壓管系具有三通與溢出管連接處存在由63 mm變大到104 mm，再變小到100 mm的擴(kuò)散-收縮變徑，管路也有多處較大角度的折彎，該結(jié)構(gòu)存在產(chǎn)生螺旋流的可能的特征。

新型低溫運(yùn)載火箭二級(jí)氧輸送系統(tǒng)也具有五通前管路，五通前管路、五通與分支管連接處有擴(kuò)散-收縮變徑，管路也有多處較大角度的折彎，該結(jié)構(gòu)也存在產(chǎn)生螺旋流的可能的特征。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究認(rèn)為螺旋流是由Coanda效應(yīng)與流動(dòng)不穩(wěn)定性產(chǎn)生的。在三通、五通類結(jié)構(gòu)內(nèi)部，流體也會(huì)存在向凹表面吸附的趨向，在某種條件下會(huì)形成沿內(nèi)壁的大渦結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致螺旋流的產(chǎn)生，導(dǎo)致管路流動(dòng)阻力顯著增加，管路局部壓力發(fā)生跳變，對(duì)應(yīng)常規(guī)在役液體運(yùn)載火箭一級(jí)燃增壓管入口壓力測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生“壓力鼓包”、新型低溫運(yùn)載火箭二級(jí)氧輸送系統(tǒng)分支管出口壓力測(cè)點(diǎn)（即發(fā)動(dòng)機(jī)氧入口）產(chǎn)生壓力下跳。

5 結(jié)論

本文對(duì)圓管內(nèi)的流型及流動(dòng)不穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，采用CFD仿真的方法復(fù)現(xiàn)了液體運(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”的現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上提出了復(fù)雜管路內(nèi)壓力跳變是由于流型向螺旋流轉(zhuǎn)變引起的。管系結(jié)構(gòu)中存在的擴(kuò)散-收縮段變徑、較大角度的彎管段都可能會(huì)導(dǎo)致螺旋流的產(chǎn)生，管路設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免類似結(jié)構(gòu)，以避免產(chǎn)生螺旋流，引起額外的流阻。