韓 煒，賀 征

（西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司，陜西?西安?710065）

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火運(yùn)行后，燃?xì)鈿饬鳒囟茸罡咴?000～4800 K，燃?xì)馑俣茸罡哌_(dá)到了6個(gè)馬赫數(shù)，推力室室壁會(huì)受到高溫燃?xì)鈩×业臎_刷作用。為避免室壁材料被高溫?zé)龤?，必須采取有效的冷卻措施對(duì)室壁進(jìn)行降溫，以避免其結(jié)構(gòu)遭到破壞[1]。

本文主要對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室采用再生冷卻方式的情況進(jìn)行數(shù)值研究，分別就有無肋片及不同肋片深寬比共2種工況下室壁冷卻情況進(jìn)行數(shù)值模擬，期望得到再生冷卻的一般規(guī)律，為熱試車提供指導(dǎo)。

根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]的研究結(jié)論可知，主流燃?xì)庵械妮椛鋼Q熱量占壁面總體熱流密度的比重較小，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。因此，本文主要考慮對(duì)流換熱和室壁導(dǎo)熱，涉及冷卻液、內(nèi)壁和燃?xì)獾鸟詈蠐Q熱問題。

1 模擬計(jì)算

1.1 物理模型結(jié)構(gòu)參數(shù)及網(wǎng)格示意圖

本文選用的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室模型包括燃?xì)馔ǖ啦糠?、推力室壁面部分和冷卻劑流動(dòng)通道部分。該模型依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[4]對(duì)噴管型面進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

本文推力室的建模工作分為燃?xì)獠糠纸！⒐腆w室壁及肋片部分建模和冷卻液部分建模。這三部分材料均不相同，需要單獨(dú)對(duì)材料屬性進(jìn)行設(shè)置。為在保證高網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)方便邊界條件和材料屬性的設(shè)置，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖3所示。

1.2 邊界條件及模型參數(shù)設(shè)置

圖1 ??液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室結(jié)構(gòu)圖

圖2 ??肋片與冷卻通道結(jié)構(gòu)示意圖

本文研究中，燃燒室入口設(shè)置為壓力入口，壓力Pin=8 MPa；噴管出口設(shè)置為壓力出口，壓力Pout=101325 Pa。假定燃?xì)庠谶M(jìn)入燃燒室時(shí)已充分燃燒，燃?xì)鉃樗魵猓?、氧燃燒后產(chǎn)物），入口溫度T=3500 K。推力室內(nèi)壁材料設(shè)置為鋯銅，初始化時(shí)溫度設(shè)為300 K。燃?xì)馀c內(nèi)壁接觸面和冷卻劑與壁面接觸部分設(shè)置為耦合面。燃?xì)馊肟谖挥趚=0 m，推力室圓筒段與噴管漸縮段交接處位于x=0.3968 m處，噴管喉部位于x=0.775 m處，噴管出口位于x=1.8845 m處。

圖3 ??模型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖

本文工況中，隨著溫度的變化，水蒸氣、鋯銅合金和氫會(huì)發(fā)生物理性質(zhì)的改變，因此利用公式（1）和（2）對(duì)其進(jìn)行分段線性擬合。

式中：A1、A2、A3、B1、B2、B3為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，在上述方程中，φ代表材料的物理屬性。

氫在4.94 MPa下的密度、比熱容、熱導(dǎo)率和黏度是通過物性計(jì)算軟件[該軟件以“美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）”的數(shù)據(jù)為參考]計(jì)算得到。鋯銅合金的熱導(dǎo)率參考文獻(xiàn)[5]對(duì)30～1000 K鋯銅合金的熱導(dǎo)率進(jìn)行線性擬合。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

為深入研究不同方式下的冷卻情況，本文模擬了有無肋片及不同肋片深寬比共2種工況下壁面溫度情況。

前置說明：本文各工況中，推力室內(nèi)壁厚度為1 mm，冷卻通道高度為2 mm；冷卻通道因?yàn)橥屏κ規(guī)缀涡螤畹挠绊懗尸F(xiàn)出一個(gè)漸縮和漸擴(kuò)的狀態(tài)，從而影響冷卻通道中冷卻劑的流動(dòng)規(guī)律（在燃燒室圓筒段冷卻通道橫截面積不變，從噴管漸縮段到噴管喉部冷卻通道橫截面積逐漸縮小，噴管喉部到噴管尾部冷卻通道橫截面積逐漸增大）。

2.1 相同冷卻劑流量下肋片對(duì)壁面冷卻效果的影響

本節(jié)研究中，肋片個(gè)數(shù)為120個(gè)，肋片寬度約為4 mm。如圖4所示，實(shí)線為有肋片工況下模擬數(shù)據(jù)，虛線為無肋片工況下模擬數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步分析推力室壁面各處的溫度情況，分別選取燃燒室入口x=0.00863 m，燃燒室圓筒段與噴管漸縮段交接處x=0.3968 m，噴管喉部附近位置x=0.7467 m和噴管出口附近位置x=1.830 m的溫度進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表1。

圖4 ??有無肋片情況下壁面溫度對(duì)比圖

表1 ??有無肋片時(shí)不同冷卻劑流量下推力室內(nèi)壁特征位置溫度對(duì)比表

觀察圖4和表1可知，冷卻劑流量相同時(shí)，肋片的存在可以明顯起到改善冷卻效果的作用。一方面，肋片可以增加換熱面積，讓冷卻劑充分地吸收高溫燃?xì)鈧鬟f到推力室內(nèi)壁面上的熱量。另一方面，相較于無肋片情況，肋片的采用減少了冷卻通道的流通體積，使同樣冷卻劑進(jìn)口流量條件下，相對(duì)于無肋片工況，有肋片工況下冷卻劑在通道內(nèi)有更高的流動(dòng)速度，強(qiáng)化了推力室內(nèi)壁面的對(duì)流換熱，更快地將傳導(dǎo)到壁面處的熱量帶走。

2.2 不同冷卻通道深寬比對(duì)冷卻情況的影響

為了對(duì)不同肋片深寬比下推力室壁面冷卻效果進(jìn)行分析，在保證冷卻通道總體積不變的情況下，通過改變肋片的個(gè)數(shù)來對(duì)冷卻通道深寬比進(jìn)行調(diào)整。分別研究肋片個(gè)數(shù)為80個(gè)（喉部位置肋片深寬比1∶3）、96個(gè)（喉部位置肋片深寬比2∶5）、120個(gè)（喉部位置肋片深寬比1∶2）時(shí)推力室內(nèi)壁面上的溫度情況，如圖5所示。

圖5 ??不同肋片情況下推力室內(nèi)壁面溫度分布圖

觀察圖5可知，肋片深寬比的增加總體上有助于提升冷卻效果，但在部分位置肋片的增加并沒有起到明顯的提升冷卻效果的作用。從總體上看，肋片深寬比的增加與冷卻效果并不呈線性關(guān)系。為了更加直觀地對(duì)比肋片深寬比增加對(duì)于壁面冷卻效果的影響，分別給出x=1.8426 m（冷卻劑剛進(jìn)入冷卻通道，圖5右側(cè)第一個(gè)波峰位置）、x=0.775 m（噴管喉部）、x=0.00673 m（冷卻通道出口附近）特征截面上典型溫度值。

x=1.8426 m處典型溫度如表2所示。

表2 ??不同肋片數(shù)下x=1.8426?m截面典型溫度值（K）

觀察表2可知，x=1.8426 m處位于靠近噴管出口附近出現(xiàn)波峰位置。此時(shí)該截面上最低溫度為30 K，與冷卻劑注入時(shí)溫度（30 K）相同。肋片個(gè)數(shù)的變化對(duì)截面處的最低溫度與最高溫度的差值，還沒有呈現(xiàn)明顯的變化。說明冷卻劑剛進(jìn)入冷卻通道，其流量足夠快速帶走高溫燃?xì)鈧鬟f到室壁上的熱量。

x=0.775 m處典型溫度如表3所示。

表3 ??不同肋片數(shù)下x=0.775?m截面典型溫度值（K）

觀察表3可知，x=0.775 m處位于噴管喉部位置，由噴管中燃?xì)饬鲃?dòng)的規(guī)律可知，通過該處的熱流密度極大。由于結(jié)構(gòu)關(guān)系，該處肋片間距最小，冷卻劑速度達(dá)到最大值，傳遞到該處的熱量被冷卻劑迅速吸收，相比于入口處溫度，該處冷卻劑溫度得到大幅提升。肋片數(shù)越多（冷卻通道深寬比越大），冷卻劑受加熱面積（肋片側(cè)面與推力室室壁外側(cè)部分）越大，同截面上溫差越小，說明該處冷卻劑受熱越充分。

x=0.00673 m處典型溫度如表4所示。

表4 ??不同肋片數(shù)下x=0.00673?m截面典型溫度值（K）

觀察表4可知，x=0.00673 m處位于冷卻通道出口位置附近，隨著肋片個(gè)數(shù)的增加（冷卻通道深寬比增加）推力室內(nèi)壁面的最高溫度有所降低，冷卻劑的最低溫度卻有所升高。而且伴隨著肋片的增多，兩者的差值有所減小，這是因?yàn)?，冷卻劑流量固定時(shí)，其熱容量是一定的。當(dāng)肋片增多時(shí)，肋效率增大，冷卻劑受熱更為充分，致使冷卻劑的溫差有所減小。

3 結(jié)????論

本文以得到肋片對(duì)推力室內(nèi)壁面溫度影響規(guī)律為目的，對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室的再生冷卻問題進(jìn)行了研究，主要獲得以下結(jié)論：

（1）噴管型面的變化會(huì)對(duì)冷卻通道的截面積大小產(chǎn)生影響，從而影響冷卻劑在冷卻通道中的流動(dòng)規(guī)律。

（2）相比于無肋片工況，有肋片時(shí)的冷卻效果有了極大的提升。肋片深寬比的增加有助于提高肋效率，提升冷卻效果，但肋片深寬比的增加與冷卻效果并不呈線性關(guān)系，因此需根據(jù)實(shí)際工況，試驗(yàn)確定最佳深寬比及肋片個(gè)數(shù)。