陳曉萌，徐讓書，何童

（沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110136）

0 引言

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是指燃料在超聲速氣流中進(jìn)行燃燒的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。超聲速燃燒室溫度高達(dá)2500～3000K，高溫來流和燃料放熱對超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)熱防護(hù)提出嚴(yán)苛的要求。無論是傳統(tǒng)金屬材料還是復(fù)合材料，在不采用冷卻技術(shù)的條件下都無法承受發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的高溫環(huán)境。

本文整理了國內(nèi)外再生冷卻技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和再生冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室耦合傳熱計(jì)算工具的研究現(xiàn)狀，總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)容中存在的不足，認(rèn)為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻技術(shù)還可以在非穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法、發(fā)展更寬的溫度壓力范圍內(nèi)煤油組分替代模型等方面開展深入研究。

1 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 煤油冷卻劑傳熱特性的研究現(xiàn)狀

王曦[1]等人在對燃燒室壁面進(jìn)行傳熱計(jì)算時(shí)，重點(diǎn)考慮了煤油作為冷卻劑時(shí)，其物態(tài)隨溫度和壓力的變化以及高溫時(shí)出現(xiàn)的熱/催化裂解吸熱化學(xué)反應(yīng)。對煤油熱裂解和催化裂解兩種過程的化學(xué)吸熱性能進(jìn)行了對比，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)展了煤油熱/催化裂解總包反應(yīng)模型，研究了熱/催化裂解效應(yīng)對再生冷卻的影響。研究結(jié)果表明：煤油的裂解效應(yīng)出現(xiàn)在燃燒室后半段，裂解效應(yīng)將導(dǎo)致后半段熱壁溫度明顯降低，同時(shí)壁面熱流有所增加。比較兩種裂解效應(yīng)，催化裂解比熱裂解更有效地提高了冷卻性能。兩種裂解都將導(dǎo)致煤油流速急劇增大，為冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻布局優(yōu)化提供參考。王永鵬[2]利用輻射加熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究了大慶3號航空煤油在主動(dòng)冷卻試件中的對流傳熱特性。實(shí)驗(yàn)分別測量了煤油在不同入口條件（溫度、壓力、流量）下，冷卻結(jié)構(gòu)的壁溫和油溫分布及其隨時(shí)間演化過程，獲得了在4-6MPa 壓力、350-600K 溫度下煤油的對流傳熱關(guān)聯(lián)式。通過與圓管傳熱試驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，三維冷卻結(jié)構(gòu)對流傳熱系數(shù)是圓管的0.7 倍。仲峰泉等[3]采用結(jié)合燃燒室內(nèi)總溫分布經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的一維分析方法，對采用煤油作為冷卻劑的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室再生冷卻進(jìn)行了分析，為高超聲速飛行條件下主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供初步參考。

1.2 燃料冷卻效果一維分析工具研究現(xiàn)狀

采用一維分析方法、最初被設(shè)計(jì)應(yīng)用于NASP（National AeroSpace Plane）計(jì)劃的飛行器綜合熱管理計(jì)算程序VITMAC (The Vehicle Integrated Thermal Management AnalysisCode)[4]已被應(yīng)用在采用碳?xì)淙剂献鳛槔鋮s劑的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以對冷卻系統(tǒng)的傳熱過程進(jìn)行計(jì)算分析。

MBDA和ONERA是LAPCAT2計(jì)劃中的積極合作伙伴，該計(jì)劃由歐盟資助，由歐空局/ESTEC協(xié)調(diào)，重點(diǎn)致力于8馬赫飛行器研究。他們共同開發(fā)的數(shù)值工具能夠在考慮熱交換、燃料流體動(dòng)力學(xué)及其重整動(dòng)力學(xué)的情況下模擬燃料冷卻結(jié)構(gòu)的運(yùn)行[5]。MBDA公司已經(jīng)使用分析工具數(shù)值模擬對復(fù)合材料和金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械和熱研究。提出半經(jīng)驗(yàn)一維分析程序NANCY，該程序已經(jīng)應(yīng)用在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室冷卻面板設(shè)計(jì)當(dāng)中，程序中包含了正十二烷的熱型解模型，將適用范圍擴(kuò)展到了碳?xì)淙剂系臒嵝徒鈪^(qū)[6]。

法國MBDA公司用CFD-ACE工具對以H2和煤油為燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一些計(jì)算。圖1的上半部分顯示燃燒室壁面上的壓力測量和一維分析的一致性都很好。下半部分顯示了兩種不同加油情況駐點(diǎn)溫度的彩色圖，這兩種情況都是Ma6飛行條件下在Bourges-Subdra實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行的模擬飛行試驗(yàn)得到的結(jié)果。Bourges-Subdray中心設(shè)施升級后可以利用兩個(gè)吸熱燃料預(yù)熱器分別測試在燃燒室燃燒氣態(tài)甲烷和氫氣混合物時(shí)吸熱燃料對發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻效果，也可以測試改造后的吸熱燃料產(chǎn)物對發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻效果。

圖1 RegenerativeIy cooIed DMR

張鵬等[7]比較了幾種不同的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室流場一維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一種結(jié)合燃燒室實(shí)驗(yàn)靜壓數(shù)據(jù)與差值得到的燃燒室芯流面積、不依賴燃燒室總溫參數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的一維分析模型，編制的計(jì)算程序SSC-2對兩組典型的超燃燃燒室壁面靜壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了演算，改進(jìn)后的計(jì)算程序降低了數(shù)據(jù)處理過程中的不確定性，編制的程序能夠較好地獲得燃燒室流場參數(shù)，該模型對燃燒室出口總壓恢復(fù)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量值基本一致，可應(yīng)用于超聲速燃燒性能估算。

1.3 燃料當(dāng)量比及輻射模型對冷卻效果影響研究現(xiàn)狀

戎毅等[8]提出一種求解燃燒室與冷卻通道的耦合方法，定量比較不同當(dāng)量比下的超聲速流動(dòng)、混合和燃燒特性。得出結(jié)論：燃燒室燃燒當(dāng)量比對燃燒室內(nèi)環(huán)境影響劇烈，但對冷卻通道與燃燒室耦合傳熱的影響有限。當(dāng)量比由0.67增加至0.84時(shí)，冷卻流量為5g/s的碳?xì)淙剂铣隹跍囟壬呒s5K，燃燒室內(nèi)壁面平均溫度只增加了30K，當(dāng)量比的增加對冷卻通道內(nèi)的流動(dòng)換熱基本沒有影響。孫維佳[9]等人采用將熱輻射與燃燒和流動(dòng)耦合計(jì)算的方式，考察了燃?xì)鉁囟取⒈诿孑椛錈崃鞯淖兓?，選用的燃料為H2，其當(dāng)量比為0.033；選用的燃燒模型由9種反應(yīng)物、19種反應(yīng)組成，燃燒室所有壁面均設(shè)為非滑移壁面。）由燃燒／流動(dòng)熱輻射的計(jì)算結(jié)果可知，燃燒室中段及后段溫度分布更加均勻，燃?xì)庾罡邷囟缺炔豢紤]輻射時(shí)相比進(jìn)一步降低，降幅達(dá)到200K左右；耦合計(jì)算中壁面輻射熱流的分布趨于平穩(wěn)。由此可知，在燃燒室中對燃燒流動(dòng)和熱輻射的耦合計(jì)算有必要進(jìn)行深入探討。

1.4 再生冷卻通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究現(xiàn)狀

蔣勁[10]結(jié)合中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心吸氣式超聲速技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（CARDC-AHL）發(fā)展的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)三維內(nèi)流場計(jì)算軟件AHL3D與二維傳熱計(jì)算程序，建立了一套用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室再生冷卻的準(zhǔn)三維熱分析計(jì)算工具，初步分析了再生冷卻結(jié)構(gòu)中材料的選擇、材料幾何尺寸等因素對再生冷卻效果的影響。

SPRITICH公司研制了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱交換器的分析工具SRHAT[11]（A Seramjet Ramjet Het Rxchanger Analysis Tool)，結(jié)合燃?xì)?、冷卻劑流動(dòng)與傳熱的二維分析方法對超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱交換器的傳熱過程進(jìn)行分析，該分析工具可以用來評估冷卻結(jié)構(gòu)在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高溫環(huán)境下的強(qiáng)度并且對發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，冷卻結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 NozzIe SidewaII PaneI StructuraI ResuIts

張志斌[12]通過理論計(jì)算確定了某飛行器的飛行環(huán)境，通過仿真計(jì)算確定了熱應(yīng)力匹配的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。秦昂[13]等人針對當(dāng)前超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究存在對經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式依賴的問題，且對流動(dòng)壓力損失問題重視不足，采用響應(yīng)面法結(jié)合多目標(biāo)遺傳算法，以燃?xì)鈧?cè)平均壁溫和流動(dòng)壓力損失為優(yōu)化目標(biāo)，對單根再生冷卻通道的肋高、槽寬和肋厚進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。張婕[14]等人建立了再生冷卻結(jié)構(gòu)超高溫加熱模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，解決了再生冷卻結(jié)構(gòu)在內(nèi)部冷卻液流動(dòng)情況下單面承受高溫高熱流加熱模擬問題。實(shí)現(xiàn)了再生冷卻結(jié)構(gòu)各流道流量的精確控制，為再生冷卻平板結(jié)構(gòu)防熱性能評定的依據(jù)。

2 以上研究存在的問題

綜合上述文獻(xiàn)研究內(nèi)容，再生冷卻耦合傳熱過程的計(jì)算工具在大框架上已經(jīng)發(fā)展得比較完善，國外的一些研究成果已經(jīng)被做成具有較強(qiáng)通用性的應(yīng)用軟件，但是上述工作仍存在不足。

在模擬燃燒室內(nèi)部的燃燒過程時(shí)，上述文獻(xiàn)大多采用結(jié)合經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的一維方法，不能展現(xiàn)燃燒室流場的全貌，無法了解燃燒室流場詳細(xì)的參數(shù)分布，計(jì)算精度低；CFD方法計(jì)算時(shí)間過長，且煤油燃燒機(jī)理研究尚不成熟，發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)的工作過程中噴注條件的變化會(huì)使燃料燃燒性能發(fā)生變化。因此CFD方法不能全面反映碳?xì)淙剂显诓煌瑖娮l件下燃燒性能的差異，對熱防護(hù)效果影響很大。采用結(jié)合實(shí)驗(yàn)靜壓分布的、不依賴任何燃燒室經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)一維穩(wěn)態(tài)方法分析了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的熱環(huán)境，將熱流密度計(jì)算值與通過其自行開發(fā)的高溫?zé)崃鱾鞲衅鳒y得的燃燒室內(nèi)壁面熱流密度進(jìn)行了對比，得到了較好的結(jié)果。但穩(wěn)態(tài)計(jì)算無法反映燃燒室溫度場分布隨時(shí)間的變化情況。

分析燃燒室熱環(huán)境的一維方法中未采用燃燒模型，而是引入了實(shí)驗(yàn)靜壓數(shù)據(jù)使方程問題封閉，并取得了較好的結(jié)果；陸陽等以燃燒室壁面熱流密度的必驗(yàn)數(shù)據(jù)作為邊界條件對冷卻結(jié)構(gòu)與冷卻劑之間的傳熱狀況進(jìn)行了研究，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了較好的一致性，但二者都沒有對燃燒室的耦合傳熱過程進(jìn)行整體性的研究，陸陽等人研究了壁面與冷卻劑間的傳熱過程，李龍研究了燃?xì)庀虮诿娴膫鳠徇^程。另外燃燒室壁面熱流密度的測量比較困難，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布少，不能滿足燃燒室傳熱計(jì)算和設(shè)計(jì)要求。近年來一些針對燃燒室一維分析方法的研究中，研究人員通過加入反應(yīng)機(jī)理的方式使得物理問題封閉，但此類方法有待進(jìn)一步完善[15]。

3 結(jié)論與展望

通過對國內(nèi)外再生冷卻耦合傳熱計(jì)算工具研究情況的調(diào)研。認(rèn)為還有以下幾方面可以展開深入研究：①為燃燒室內(nèi)部燃?xì)獾牧鲃?dòng)與傳熱分析模塊加入煤油質(zhì)量分布模型以及燃?xì)鉄彷椛溆?jì)算模型，而在冷卻通道內(nèi)流動(dòng)與換熱的分析過程中，綜合考慮航空煤油的傳熱特性為燃燒室傳熱帶來的影響，以獲得更為準(zhǔn)確的燃燒室壁面熱流密度分布。②發(fā)展在更寬的溫度、壓力范圍內(nèi)適用的煤油組分替代模型。③發(fā)展非穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，擴(kuò)展程序的適用范圍。