尹亮,丁杰,李旋旗

(1.湖南文理學院 機械工程學院,湖南 常德,415000;2.湖南應(yīng)用技術(shù)學院,湖南 常德,415000)

在液體火箭發(fā)動機中,噴注器對發(fā)動機性能影響最大,良好的噴注器設(shè)計對推進劑霧化、混合、燃燒及穩(wěn)定性等方面具有決定性作用。層板式噴注器是美國Aerojet公司在20世紀70年代研制的一種新型液體火箭發(fā)動機噴注器,具有集液腔容積小,響應(yīng)特性好,脈沖小,比沖大等特點[1–2]。

國內(nèi)外學者在層板式噴注器的設(shè)計、試驗及性能分析等方面進行了大量的研究工作[3–4],但一般都是通過冷試、熱試多次修改設(shè)計方案后獲得成功的,有關(guān)層板式噴注器性能分析與設(shè)計等理論方面的研究基本上還處于空白,對其流動特性進行仿真分析也少有文獻發(fā)表[5]。Mueggengurg[6]提出了一款針對O2/H2發(fā)動機的橫向?qū)影迨絿娮⑵?該噴注器共由44塊層板組成,其中的16塊層板厚度為0.127 mm,28塊厚度為0.254 mm,每一層板均包括70個直徑為2.362 2 mm的氧氣孔,二個直徑為3.175 mm的壓力管道孔及無數(shù)個直徑為0.254 mm的氫氣孔,在經(jīng)過一系列的試驗后證明,該層板式噴注器表現(xiàn)出了良好的流動性,冷卻性及抗堵塞能力。經(jīng)過4 200個工作循環(huán)后噴注器無明顯的失效和損壞發(fā)生,同時其燃燒效率在有面板冷卻的情況下可提高1.5%左右。李家文等[7]提出一種氣氧/甲烷層板式噴注器,該噴注器具有邊區(qū)冷卻劑流量調(diào)節(jié)固定裝置,可根據(jù)試驗要求調(diào)節(jié)冷卻劑流量大小,并通過五塊層板對推進劑進行分流控制,具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)特性好的優(yōu)點。李君海[8]等設(shè)計研究了一種雙組元氣氧/丙烷小推力發(fā)動機,該發(fā)動機頭部采用層板式噴注器結(jié)構(gòu),采用電火花塞進行點火,其推力為160 N,燃燒室壓力0.62 MPa,真沖比沖達到2 961 m/s,并通過在噴注器邊區(qū)布置氣膜冷卻方式結(jié)合高溫抗氧化材料達到熱防護的效果。Yin等[9–12]對濺板式層板噴注器進行了大量工作,對單噴嘴及多噴嘴濺板式層板噴注器氣氣燃燒特性進行了數(shù)值仿真研究,設(shè)計了一種氣膜冷卻層板式噴注器結(jié)構(gòu),采用氣態(tài)甲烷作為冷卻劑,對不同冷卻孔參數(shù)下氣膜冷卻效果進行數(shù)值仿真分析,并在數(shù)值仿真基礎(chǔ)上開展了氣氧/甲烷層板式噴注器氣氣流量特性及燃燒特性試驗研究。

綜上所述,目前針對層板式噴注器的設(shè)計主要以試驗為主,在設(shè)計理論、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流動特性等方面的研究較少。本文以目前國內(nèi)研究較多的濺板式層板噴注器為對象,重點考察出口層噴嘴寬度對噴注器氣氣流動特性的影響,并對其內(nèi)部摻混特性進行分析。

1 模型參數(shù)

噴注器結(jié)構(gòu)參考文獻[13]的設(shè)計方案。單噴嘴濺板式層板噴注器由入口層、中間層、出口層組成,厚度分別取0.3、0.6、0.3 mm。模擬過程中為了消除入口端長度對氣體流動的影響,選擇4倍入口長度進行計算。同時保持噴嘴間距及中間層噴嘴寬度不變,模擬過程中,入口質(zhì)量流量不變,只改變出口層噴嘴寬度,L1/L分別取0.6、0.7、0.8、0.9,采用壓力出口邊界條件,壁面為絕熱無滑移條件。推進劑分別選擇氣氧及氣態(tài)甲烷,相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 噴注器參數(shù)

從結(jié)構(gòu)上來看,影響濺板式噴注單元性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:出口層噴嘴間距D、擴張角γ、出口層噴嘴寬度L1、中間層噴嘴寬度L、中間層厚度H2、出口層厚度(噴注面板)H3、氧化劑入口孔徑DO及燃料入口孔徑Df等,濺板式層板噴注單元結(jié)構(gòu)示意圖及相關(guān)參數(shù)定義見圖1。對網(wǎng)格進行劃分時,由于層板單元尺寸較小,為了更好地對氣體在層板通道中的流動情況進行分析,采用球面密度法對層板單元區(qū)域與燃燒室流體域相鄰部分的網(wǎng)格進行局部加密;同時為減少網(wǎng)格數(shù)量,選取模型的一半進行計算。噴注單元網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖1 濺板式層板噴注單元示意圖

圖2 計算域網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果及分析

2.1 流場分析

濺板式噴注單元具有性能高,相容性好,對工況及推進劑溫度變化不敏感的優(yōu)點,其噴注特點在于:推進劑從噴注器頭部入口進入噴注單元體,經(jīng)各層板孔及流道進行分流,最后由噴注面板梯形孔邊緣呈一定角度扇形噴出。液體推進劑在流經(jīng)噴注器流道時被剪切、破碎、強迫變形,撞擊出口層噴注面板產(chǎn)生預(yù)霧化。因此,與傳統(tǒng)射流撞擊霧化不同,濺板式噴注單元由于其特殊的噴注方式,液膜厚度較小,撞擊界面不明顯甚至不存在。同時濺板式噴注單元由于性能高,相容性好,對工況及推進劑溫度變化不敏感的特點而被廣泛應(yīng)用在小推力姿控發(fā)動機上。由于各層層板流道的交錯排布,推進劑與噴注單元體接觸面積大,能對噴注器頭部進行有效冷卻。

為了詳細了解燃燒室內(nèi)部流動及摻混情況,取出口層噴嘴寬度L1/L=0.6進行分析,對徑向方向上燃燒室不同截面流線變化進行分析,各截面距噴注面板距離分別為5、15、25、35 mm,如圖3所示。由于噴嘴出口為梯形結(jié)構(gòu),氧氣出口面積較大,燃料與氧化劑撞擊后在徑向方向上存在一定速度差,在靠近燃料一側(cè)首先形成較大回流區(qū),氧化劑一側(cè)回流區(qū)域較小。徑向方向上回流區(qū)的存在有利于推進劑之間的混合,隨著流動的不斷發(fā)展,回流區(qū)逐漸變小、變?nèi)?摻混效果變差。

圖3 不同截面上回流區(qū)流線變化情況

圖4為對稱面上不同出口層噴嘴寬度對流場結(jié)構(gòu)影響情況。由圖4可知,噴注角越大,撞擊點離噴注面越近,回流區(qū)位置也越靠近噴注面。采用VISIO軟件對噴注角進行處理,獲得各噴注器結(jié)構(gòu)對應(yīng)下的噴注角分別為54.0°、52.2°、34.5°、3.5°,即隨著出口層噴嘴寬度的增大,噴注角越小。

圖4 不同出口層噴嘴寬度下流線圖

為了更好地觀察燃燒室頭部區(qū)域流動及混合情況,圖5給出了噴嘴末端近場流線分布圖,可以看出,燃燒室頭部區(qū)域存在兩個主要的回流區(qū)域,一是在燃燒室頭部區(qū)域的較大回流區(qū),二是在噴嘴末端區(qū)域有小尺度富氧/富燃回流區(qū)域形成,回流區(qū)的存在有利于推進劑之間的混合。由于噴注角及噴注速度不同,在徑向方向上有較大的速度差,氧噴嘴末端流動速度較大,回流區(qū)位置均偏向氧化劑一側(cè)。燃氣回流雖然有利于推進劑的混合,但會對噴注面板的熱防護產(chǎn)生不利影響[10]。

圖5 噴嘴末端近場流線分布圖

2.2 組分分布

為了進一步研究出口層噴嘴寬度對氣氣摻混的影響,對燃燒室組分分布進行了分析,這里選擇冷流條件下氧質(zhì)量分數(shù)分布作為判斷依據(jù)。如圖6所示,仿真結(jié)果表明,不同出口層噴嘴寬度下各噴注器摻混效果較好。由于氧氣側(cè)噴嘴面積較大,受回流區(qū)影響在靠近氧化劑噴嘴一側(cè)氧濃度略高。同時可以看出,在距噴注面板20 mm位置各噴注器結(jié)構(gòu)下氧質(zhì)量分數(shù)分布不變,摻混已基本完成。

圖6 燃燒室內(nèi)氧質(zhì)量分數(shù)分布

2.3 混合均勻性

圖7為氧質(zhì)量分數(shù)標準偏差沿燃燒室軸向分布,通過分析燃燒室各截面上氧氣質(zhì)量分數(shù)的標準偏差σ來表征該截面上氧氣分布的均勻性程度。σ值介于0～1之間,其值越小混合均勻性越好。對混合均勻性進行判斷時,常以σ＜0.05作為達到微觀混合均勻的依據(jù)[16]。從圖中可以看到,各噴注器摻混效果均較好,在距噴注面板5 mm處氧質(zhì)量分數(shù)標準偏差已達到微觀混合均勻的效果。而對于L1/L=0.9,由于噴注角較小,混合距離變長,在近噴注器面板附件混合效果略差。還可以看到,在燃燒室出口段基本摻混完全。整體來說,L1/L=0.7在近噴注器區(qū)域摻混效果最好。

圖7 不同截面上氧質(zhì)量分數(shù)標準偏差沿燃燒室軸向分布圖

3 結(jié)論

通過對濺板式層板噴注單元的流動特性和混合特性進行模擬研究,可以得到以下結(jié)論:

(1)不同噴注器下流場結(jié)構(gòu)不同,噴注角越大,撞擊點離噴注面越近,回流區(qū)位置也越靠近噴注面;

(2)不同出口層噴嘴寬度下各噴注器摻混效果均較好。由于氧氣側(cè)噴嘴面積較大,受回流區(qū)影響在靠近氧化劑噴嘴一側(cè)氧濃度略高;

(3)不同出口層噴嘴寬度下?lián)交煨Ч^好,在燃燒室出口段已基本摻混完全。總體來說,工況L1/L=0.7在近噴注器區(qū)域摻混效果最好。