劉占一，胡錦華，張魏靜，楊建文，劉計武，石曉波

(西安航天動力研究所 液體火箭發(fā)動機技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710100)

0 引言

Nofbx是將氧化亞氮和碳氫燃料預(yù)混形成的一種單組元液體推進劑，將其用于液體火箭發(fā)動機具有供應(yīng)系統(tǒng)簡單、比沖性能高、易于深度節(jié)流、綠色無毒等優(yōu)點，已經(jīng)引起國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[1-4]。但是，Nofbx是一種燃料和氧化劑預(yù)混推進劑，在考慮燃燒室的熱防護時，常用的膜冷卻方式無法應(yīng)用，而且也無法通過改變混合比降低邊區(qū)燃氣溫度，因此只能通過再生冷卻方式來實現(xiàn)燃燒室的熱防護。傳統(tǒng)的再生冷卻通常采用銑槽式結(jié)構(gòu)，但是，在Nofbx燃燒室中，缺少了膜冷卻的“協(xié)助”，銑槽式再生冷卻有可能無法滿足熱防護需要。而相比銑槽通道，填充多孔介質(zhì)的冷卻通道能夠進一步有效擴展冷卻劑通道的換熱面積，而且其特有的彌散效應(yīng)也能有效提高換熱強度[5]，這些特點對于提高推力室熱防護性能有明顯的積極作用。

多孔介質(zhì)冷卻通道應(yīng)用于發(fā)動機燃燒室再生冷卻通道的研究尚未見報道，而在其他工程領(lǐng)域，國內(nèi)外研究人員對于多孔介質(zhì)的流動和傳熱特性已經(jīng)開展了廣泛的試驗和數(shù)值模擬研究[6-15]。例如，王晶鈺采用奈升華熱質(zhì)比擬試驗方法測量了顆粒無序堆積床內(nèi)顆粒與流體之間的對流換熱系數(shù)，從孔隙率對傳熱的影響出發(fā)，對文獻換熱公式的適用性進行了探討[6]；黃寓理對空氣、氫氣和氦氣流過微細多孔介質(zhì)內(nèi)部的流動阻力特性進行了試驗研究，分析了不同氣體在不同顆粒直徑條件下摩擦因數(shù)與等效雷諾數(shù)的關(guān)系[7]；胥蕊娜對空氣流過燒結(jié)微細多孔介質(zhì)的流動和對流換熱進行了試驗研究，分析了顆粒直徑、阻力系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系，得到了燒結(jié)多孔介質(zhì)內(nèi)部體積平均對流換熱系數(shù)[8]；常煥靜利用數(shù)值模擬的方法對水和冪律流體在多孔介質(zhì)中的流動和換熱影響因素進行了深入研究[9]；Hou基于計算流體動力學(xué)方法對顆粒堆積床內(nèi)傳熱現(xiàn)象進行了詳細的研究，建立了不采用半經(jīng)驗系數(shù)的傳熱預(yù)測模型[10]；孫得川提出了一種適合于對大量顆粒自然堆積的管道流動進行模擬的數(shù)值方法，對不同顆粒直徑、進口速度的管道堆積床進行了流動與非定常傳熱模擬[11]。

因此，本文以燃燒室為應(yīng)用背景，設(shè)計了多孔介質(zhì)冷卻通道，以水為模擬介質(zhì)，采用試驗手段研究了多孔介質(zhì)的流阻和換熱特性，同時，借鑒現(xiàn)有有關(guān)多孔介質(zhì)文獻的研究成果，建立了采用多孔介質(zhì)冷卻通道的燃燒室傳熱模型，對多孔介質(zhì)冷卻通道應(yīng)用于Nofbx燃燒室的可行性進行了初步探索。

1 多孔介質(zhì)的制備

多孔介質(zhì)的制備方法包括粉末冶金類方法、鑄造類方法、沉積類方法等，根據(jù)液體火箭發(fā)動機燃燒室冷卻需求，選擇以紫銅作為多孔介質(zhì)基材，通過金屬粉末冶金燒結(jié)法制備多孔介質(zhì)。制備時先采用篩分器對原料銅粉末進行篩分，然后采用模壓成型胚體，再在氫氣氛圍爐燒結(jié)成型，燒結(jié)溫度為800～900 ℃，燒結(jié)時間為60～100 min，得到孔隙分布均勻的多孔介質(zhì)。圖1給出了不同孔隙率的多孔介質(zhì)照片。

圖1 多孔介質(zhì)照片

2 試驗裝置和試驗方法

2.1 多孔介質(zhì)試驗段和燃氣發(fā)生器設(shè)計

考慮到發(fā)動機燃燒室的再生冷卻通道的結(jié)構(gòu)形式，因此將試驗段設(shè)計成圓柱形夾套冷卻形式，將多孔介質(zhì)填充環(huán)形冷卻通道，同時也便于與常規(guī)的銑槽冷卻方式進行對比。試驗段內(nèi)徑40 mm，內(nèi)壁厚度1 mm，環(huán)形冷卻通道寬度2 mm，多孔介質(zhì)填充長度50 mm，如圖2所示。

圖2 試驗段示意圖

為模擬燃燒室的高溫燃氣，設(shè)計了一個燃氣發(fā)生器，為試驗段提供熱源，如圖3所示。受試驗條件限制，以空氣和煤油為工質(zhì)，混合比為15，采用火花塞點火。煤油噴嘴采用氣助霧化形式，輔助霧化氣體為空氣，空氣路分為一次空氣和二次空氣。為了提高試驗段的燃氣溫度均勻性，在發(fā)生器出口設(shè)置了收縮段，收縮段采用夾套水冷方式進行冷卻。

圖3 燃氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

2.2 流阻試驗方法

使固定流量的水從試驗件一端流入、從另一端流出，測量進出口兩端的壓降獲得多孔介質(zhì)試驗段的流動阻力。試驗介質(zhì)采用過濾后的自來水。試驗裝置包含1個質(zhì)量流量計，2個壓力傳感器和2個手閥。試驗時，先打開下游手閥，然后調(diào)整上游手閥開度，待流動穩(wěn)定后，即可獲得該流量對應(yīng)的流阻。

2.3 傳熱試驗方法

以常溫水為冷卻劑，冷卻劑流動方向與高溫燃氣流動方向相反。冷卻劑以擠壓方式供應(yīng)，通過減壓閥和一個預(yù)先標定好的孔板配合控制冷卻劑流量。試驗過程中，經(jīng)過試驗段后的冷卻劑直接排放至試驗間排水槽。

在冷卻通道內(nèi)多孔介質(zhì)前后分別布置熱電偶，測量冷卻劑在經(jīng)過多孔介質(zhì)前后的溫度Tin和Tout。另外，在外壁面沿流動方向均勻布置了10個熱電偶，用以監(jiān)測壁溫變化。預(yù)計各測點溫度均在200 ℃以下，為保證測溫精度，熱電偶均選用T型。

試驗時間持續(xù)80～100 s，確保整個試驗段達到熱平衡，各測點溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)，以進出口冷卻劑的溫差ΔT作為衡量多孔介質(zhì)換熱強度的依據(jù)。圖4給出了傳熱試驗示意圖。

圖4 傳熱試驗示意圖

3 試驗結(jié)果和討論

3.1 流阻測試結(jié)果

流阻測試中，測試了流量30～150 g/s的若干工況點，具體結(jié)果如表1所示。

表1 流阻測試結(jié)果

從表1中數(shù)據(jù)來看，對于多孔介質(zhì)冷卻通道，隨著孔隙率的增大，相同流量下的流阻逐漸降低，原因在于，孔隙率越大，多孔介質(zhì)內(nèi)的冷卻劑流速越低。

另外，還采用已被廣泛認可的Ergun公式[16]對試驗用多孔介質(zhì)流阻進行了估算。

Ergun公式為

(1)

其中

Re=ρfudh/με

式中：Δp為流阻；f為阻力系數(shù)；ρf為流體介質(zhì)密度；u為無多孔介質(zhì)填充時的來流速度；ε為多孔介質(zhì)孔隙率；dh為多孔介質(zhì)的當(dāng)量水力直徑；Re為多孔介質(zhì)內(nèi)流動雷諾數(shù)；c1和c2為阻力系數(shù)常數(shù)，其值分別為133和2.33；μ為流體介質(zhì)的動力黏性系數(shù)。

常規(guī)的當(dāng)量水力直徑的計算公式[17]為

dh=4A/P

(2)

式中：A為通流截面面積；P為流體與固體邊界接觸部分的周長，稱為濕周。

上述方法是在二維空間進行的計算，顯然在多孔介質(zhì)中，常規(guī)的當(dāng)量水力直徑計算方法無法直接應(yīng)用。因此考慮將式(2)進行變換

(3)

式中：l為多孔介質(zhì)的軸向長度；V為多孔介質(zhì)中流體所占體積；S為多孔介質(zhì)中的表面積；V0為多孔介質(zhì)的宏觀體積；a為多孔介質(zhì)的比表面積，定義為單位體積內(nèi)的表面積，該值通過吸附法測量得到。

圖5給出了多孔介質(zhì)的流阻試驗值和計算值的對比。結(jié)果表明，Ergun公式的計算值和試驗值符合較好，試驗工況中最大偏差小于10%。

圖5 多孔介質(zhì)流阻計算值和試驗值的對比

3.2 傳熱測試結(jié)果

圖6為傳熱測試現(xiàn)場照片。傳熱測試中，冷卻劑流量為30、40、50 g/s，得到冷卻劑溫升如表2所示。

圖6 傳熱測試現(xiàn)場照片

從表2中數(shù)據(jù)來看，對于多孔介質(zhì)冷卻通道，冷卻劑的溫升隨著孔隙率的增大而減小，表明換熱能力逐漸下降。原因在于，隨著孔隙率的增大，一方面冷卻劑流動通道的特征尺度增大，雷諾數(shù)降低，換熱系數(shù)下降，另一方面，孔隙率增大，比表面積減小，換熱面積減小，也導(dǎo)致了換熱強度的下降。

表2 傳熱測試結(jié)果

另外，針對采用多孔介質(zhì)作為冷卻通道的燃燒室建立了傳熱計算模型。模型示意圖如圖7所示。

圖7 傳熱模型示意圖

對內(nèi)壁建立熱平衡方程

(4)

式中：Tg為燃氣溫度，可以通過熱力計算獲得；hg為燃氣與壁面的換熱系數(shù)，可以通過巴茲公式計算獲得[18]；Twg和Twl分別為內(nèi)壁的燃氣側(cè)壁溫和液側(cè)壁溫；λ為內(nèi)壁的導(dǎo)熱系數(shù)；δ為內(nèi)壁的厚度；q為熱流密度；A為燃氣側(cè)換熱面積。

在試驗段達到熱平衡的狀態(tài)下，忽略外壁面通過自然對流向環(huán)境的散熱，則可認為高溫燃氣通過內(nèi)壁向多孔介質(zhì)傳遞的熱量均被冷卻劑吸收，對冷卻劑建立熱平衡方程

(5)

對多孔介質(zhì)而言，高溫燃氣傳遞過來的熱量被冷卻劑通過強迫對流的方式吸收?？紤]到多孔介質(zhì)材料為紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)達到380 W/(m·K)，采用集總參數(shù)法對其建立熱平衡方程

qA=(Ts-Tliq)hliqAliq

(6)

式中：Ts為多孔介質(zhì)固體溫度；Tliq為冷卻劑溫度；hliq為冷卻劑與多孔介質(zhì)的換熱系數(shù)；Aliq為冷卻劑與多孔介質(zhì)的換熱面積。

實際上，多孔介質(zhì)固體溫度Ts應(yīng)介于內(nèi)壁液側(cè)壁溫Twl和外壁液側(cè)壁溫Ta之間，假設(shè)多孔介質(zhì)固體溫度沿徑向呈線性變化，則建立溫度方程

(7)

在忽略外壁向環(huán)境散熱的情況下(即外壁的外壁面處于絕熱狀態(tài))，外壁液側(cè)壁溫Ta應(yīng)等于外壁的外壁面溫度，而該溫度在試驗中通過熱電偶已經(jīng)測得。

冷卻劑與多孔介質(zhì)的換熱系數(shù)根據(jù)文獻[19]提出的換熱關(guān)系式

(8)

其中

式中：Nu為努塞爾數(shù)；λliq為冷卻劑的導(dǎo)熱系數(shù)；Pr為冷卻劑的普朗特數(shù)；Re為冷卻劑流動雷諾數(shù)，3.1節(jié)已介紹過計算方法。

冷卻劑與多孔介質(zhì)的換熱面積

Aliq=V0a

(9)

式(4)～式(9)就構(gòu)成了完整的傳熱計算模型。將試驗段沿流動方向分成若干段，對每段建立如上的傳熱模型，通過聯(lián)立求解即可獲得各溫度參數(shù)，計算過程中，考慮溫度變化對冷卻劑的熱物性的影響。

試驗中，試驗段外壁溫度都在50 ℃以下，環(huán)境溫度約20 ℃，如果取自然對流換熱系數(shù)為20 W/(m2·K)，則外壁的散熱熱流密度不超過600 W/m2。根據(jù)傳熱計算結(jié)果，燃氣側(cè)的熱流密度都在200 kW/m2以上，因此散熱比例小于0.5%，上述傳熱模型中所假設(shè)的外壁面絕熱是合理的。

圖8給出了計算獲得的冷卻劑溫升值和試驗值的對比。

由圖8可見，計算獲得的冷卻劑溫升隨冷卻劑流量和多孔介質(zhì)孔隙率變化的趨勢能夠與試驗值吻合，但是在數(shù)值上低于試驗值，且有一定的偏差，最大偏差達到25%。分析可能的原因在于：

圖8 冷卻劑溫升計算值和試驗值的對比

1)為使傳熱模型封閉可求解，模型中假設(shè)了多孔介質(zhì)固體溫度沿徑向呈線性分布，進而采用集總參數(shù)法進行傳熱計算，與實際有偏差，這可能是造成差異的主要原因；

2)實際中，多孔介質(zhì)中的冷卻劑在部分區(qū)域可能存在沸騰，尤其是靠近內(nèi)壁側(cè)，而模型中所采用的多孔介質(zhì)與冷卻劑的換熱關(guān)系式未能充分考慮這一點。

3.3 與銑槽冷卻通道的對比

液體火箭發(fā)動機燃燒室外冷卻通常采用銑槽形式，為了對比多孔介質(zhì)與銑槽冷卻形式的流阻特性和換熱能力，加工了具有銑槽冷卻通道的試驗段。按照一般的工藝，限制銑槽槽寬和肋寬均不小于1 mm[20]。據(jù)此，根據(jù)試驗段直徑，選擇銑槽形式如下：槽寬1 mm，槽數(shù)60條，保持冷卻通道高度與多孔介質(zhì)一致。

對具有銑槽冷卻通道的試驗段進行流阻測試，發(fā)現(xiàn)其在各流量工況下流阻約為1#多孔介質(zhì)試驗段流阻的1/30。

在相同的燃燒工況條件下進行測試，獲得不同流量下的冷卻劑溫升，與多孔介質(zhì)通道對比如圖9所示。

圖9 多孔介質(zhì)與銑槽冷卻劑溫升對比

由圖可見，銑槽冷卻通道的冷卻劑溫升介于2#和3#多孔介質(zhì)之間，其換熱能力甚至高于3#多孔介質(zhì)，可能的原因是：銑槽試驗段的內(nèi)壁和肋的材質(zhì)為鉻青銅，而前述的多孔介質(zhì)試驗段由于工藝原因，采用的內(nèi)壁材質(zhì)為不銹鋼，內(nèi)壁材質(zhì)的不同對換熱能力的比較是有一定影響的，因此嚴格地說，在本文的試驗中無法定量比較多孔介質(zhì)和銑槽換熱能力，但是由于不銹鋼的熱阻明顯高于鉻青銅，因此可以預(yù)見，1#和2#多孔介質(zhì)試驗段如果采用鉻青銅內(nèi)壁，冷卻劑溫升將會進一步提高，這意味著燃燒室采用多孔介質(zhì)冷卻通道，將會獲得優(yōu)于銑槽的熱防護效果。

4 結(jié)論

本文開展了多孔介質(zhì)冷卻通道在燃燒室中的初步應(yīng)用研究，得到結(jié)論如下：

1)試驗進一步驗證了多孔介質(zhì)的流阻和換熱特性隨孔隙率的變化關(guān)系，隨孔隙率變大，多孔介質(zhì)流阻減小，換熱能力下降。

2)嘗試建立了采用多孔介質(zhì)冷卻通道的燃燒室傳熱計算模型，與試驗結(jié)果對比表明該模型能夠預(yù)測多孔介質(zhì)換熱能力隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，但在數(shù)值上有一定偏差，最大偏差達到25%。

3)在燃燒室中，相比傳統(tǒng)的銑槽通道，采用多孔介質(zhì)冷卻通道能夠獲得更好的熱防護效果，但是需要開展更多的傳熱試驗來研究多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)與換熱能力之間的關(guān)系，建立更為準確的傳熱模型，為多孔介質(zhì)在燃燒室中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。