劉紅珍，田 原

(北京航天動力研究所，北京 100076)

0 引言

燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)是泵壓式火箭發(fā)動機(jī)中廣泛采用的開式循環(huán)。當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的高溫燃?xì)庑枰祫硬⒙?lián)的氫氧渦輪時(shí)，一般需要多通管路對燃?xì)膺M(jìn)行分流。燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的燃?xì)庾鳛橄掠螠u輪的輸入工質(zhì)，其流動穩(wěn)定性關(guān)系著火箭發(fā)動機(jī)運(yùn)行的成敗。當(dāng)燃?xì)饬鲃硬环€(wěn)定時(shí)，會造成渦輪泵的輸入輸出跟隨脈動，進(jìn)而造成發(fā)動機(jī)推力脈動。同時(shí)，異常的壓力脈動也會對渦輪泵施加壓力脈動激勵(lì)，導(dǎo)致渦輪泵工作環(huán)境惡化。因此，研究燃?xì)饴妨鲃臃€(wěn)定性對渦輪及發(fā)動機(jī)系統(tǒng)均具有十分重要的意義。

國內(nèi)外研究者對并聯(lián)的多通管路內(nèi)的流量分配與壓力跳變現(xiàn)象進(jìn)行了一些研究。Bajura從流體力學(xué)的角度給出并聯(lián)管路壓降的分析方法，提出了“Bajura第一模型”；此后又對并聯(lián)管路的壓降與流量分配進(jìn)行分析修正后提出“Bajura第二模型”。日本白百合女子大學(xué)Horii等用空氣作為流動介質(zhì)，在特定條件下，用粒子顯示出管內(nèi)存在非常穩(wěn)定的強(qiáng)螺旋流現(xiàn)象。隨后提出了擴(kuò)散管+彎頭+收縮管、環(huán)狀軸對稱開口徑向進(jìn)流+錐形收縮的螺旋流發(fā)生裝置，并進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用。然而，上述裝置為何會產(chǎn)生螺旋流以及管道結(jié)構(gòu)形狀、幾何參數(shù)對螺旋流的形成與發(fā)展有何影響卻不清楚。Horii雖也試圖解釋這種流動現(xiàn)象，初步認(rèn)為Coanda效應(yīng)與流動不穩(wěn)定性是產(chǎn)生螺旋流的原因，然而根據(jù)還很不充分。北京大學(xué)湍流研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的熊鰲魁等針對多通、帶收縮擴(kuò)展的彎頭結(jié)構(gòu)的3種管路開展了水介質(zhì)的驗(yàn)證試驗(yàn)，提出了不對稱的雙渦在相互作用后卷并為一個(gè)渦，形成了穩(wěn)定的強(qiáng)螺旋流現(xiàn)象。帥石金等對汽車上排氣系統(tǒng)中三分支管路內(nèi)的螺旋流進(jìn)行研究，從三維仿真及試驗(yàn)測量角度驗(yàn)證了螺旋流的存在及特征。翟銀平等利用Fluent軟件對90°彎管管道在不同的切向進(jìn)流角度下進(jìn)行數(shù)值仿真，仿真過程中選用了-湍流模型，采用穩(wěn)態(tài)算法，獲得了螺旋流的生成、發(fā)展和衰減的規(guī)律。王樹立等分析了各種螺旋流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)形式及性能特點(diǎn)，介紹了各種螺旋流發(fā)生器的優(yōu)缺點(diǎn)及適用環(huán)境。張琳等介紹了一種螺旋扭帶裝置，通過在每根換熱管的進(jìn)口端安裝一根塑料扭帶，利用流體自身的動能使扭帶旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生螺旋流，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；同時(shí)，通過對自轉(zhuǎn)螺旋扭帶管和普通光管為模型進(jìn)行數(shù)值仿真，獲得了扭帶管內(nèi)規(guī)律的螺旋流以及普通管內(nèi)常規(guī)的直線流動。王曉飛通過實(shí)驗(yàn)測量的方法研究管內(nèi)螺旋流的形成及運(yùn)動規(guī)律，研究螺旋流發(fā)生器的幾何參數(shù)、入口條件等方面對螺旋流的形成及發(fā)展的影響，對螺旋流產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行初步探討，認(rèn)為在一個(gè)穩(wěn)定的基本流場內(nèi)，受黏性、斜壓、流體旋轉(zhuǎn)、流線扭曲等擾動因素的影響，會導(dǎo)致渦核破裂，渦核的破裂會破壞原有的穩(wěn)定流場，形成不穩(wěn)定區(qū)域，在擾動因素的影響下可進(jìn)一步形成一個(gè)大的、有序的渦旋，形成螺旋流。文獻(xiàn)[12-15]針對液體運(yùn)載火箭五通出口分支管壓力下跳、一級燃增壓管入口壓力鼓包問題，通過數(shù)值仿真，提出并聯(lián)多通管路中存在兩種典型流型——螺旋流和直線流，認(rèn)為螺旋流是由于Coanda效應(yīng)與流動不穩(wěn)定性引起，并伴隨大渦的形成，導(dǎo)致管路流阻增加，引起管路局部壓力跳變。國內(nèi)外學(xué)者的研究表明，螺旋流容易在多通結(jié)構(gòu)或者存在收縮段的結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生。國內(nèi)外對螺旋流的研究主要側(cè)重于螺旋流的工業(yè)應(yīng)用，但對螺旋流產(chǎn)生的內(nèi)部機(jī)理以及螺旋流和直線流等相互切換引起的流動不穩(wěn)定的本質(zhì)及產(chǎn)生機(jī)理有待深入研究。

1 問題概述

某液體火箭發(fā)動機(jī)是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的高溫燃?xì)饨?jīng)過燃?xì)馊ǚ至鳎?jīng)燃?xì)鈱?dǎo)管后分別吹動氫/氧渦輪。在試車過程中，燃?xì)饴废到y(tǒng)各壓力測點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)異常的壓力脈動，此現(xiàn)象從形態(tài)上可分為兩類：第一類的壓力脈動是單邊跳動，即某一壓力測點(diǎn)在試車的平穩(wěn)段突然向上或向下跳至一個(gè)新水平，然后持續(xù)較短時(shí)間后又恢復(fù)正常，由于單次壓力跳動時(shí)間持續(xù)較短，反映到全程壓力曲線上，類似于“毛刷”現(xiàn)象；第二類壓力脈動表現(xiàn)為壓力臺階，持續(xù)時(shí)間比第一種壓力脈動長。兩種壓力異常脈動發(fā)生的時(shí)刻及次數(shù)均具有一定的隨機(jī)性。對燃?xì)獍l(fā)生器室壓按=′進(jìn)行無量綱化處理，其中為試驗(yàn)壓力，′為固定值；典型的試驗(yàn)壓力曲線如圖1所示。對熱試車數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)燃?xì)夥至鞅?吹氧渦輪的燃?xì)饬髁?吹氫渦輪的燃?xì)饬髁?大于0.5時(shí)，燃?xì)饴烦霈F(xiàn)異常壓力脈動的概率會大大增加，如圖2所示。

圖1 典型試驗(yàn)壓力曲線Fig.1 Typical pressure curve in hot fire test

圖2 壓力跳動試車工況統(tǒng)計(jì)Fig.2 Test condition statistics of pressure jump

本文利用數(shù)值仿真、冷態(tài)氣流試驗(yàn)及熱試車驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研究某火箭發(fā)動機(jī)燃?xì)饴樊惓毫μ鴦拥臋C(jī)理及抑制措施。

2 燃?xì)饴妨鲌龇治?/h2>

研究對象是某型發(fā)動機(jī)燃?xì)饴?，燃?xì)饴返暮诵慕Y(jié)構(gòu)是燃?xì)獍l(fā)生器、燃?xì)馊皻?氧燃?xì)鈱?dǎo)管，簡化后的物理模型如圖3所示。

圖3 燃?xì)饴泛喕Ｐ虵ig.3 Simplified model of gas path

采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對燃?xì)饴纺Ｐ蛣澐志W(wǎng)格，計(jì)算采用ANSYS CFX軟件穩(wěn)態(tài)求解器，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)-模型；采用理想氣體模型，流體工質(zhì)為發(fā)動機(jī)實(shí)際工作中燃?xì)獍l(fā)生器生產(chǎn)的富燃燃?xì)狻Ｈ細(xì)獍l(fā)生器入口采用壓力入口邊界，為7.98 MPa；氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管出口分別設(shè)置流量邊界，壁面為無滑移、絕熱邊界條件。收斂殘差10。

固定氧燃?xì)鈱?dǎo)管側(cè)流量1.926 kg/s，調(diào)整氫燃?xì)鈱?dǎo)管側(cè)流量，三通內(nèi)的流型變化計(jì)算結(jié)果見表1，典型的流場計(jì)算結(jié)果見圖4。從圖4及表1中可以看出，當(dāng)分流比小于等于0.48或大于等于1.75時(shí)，燃?xì)饴妨鲌龈鼉A向于分岔流狀態(tài)，燃?xì)馊ǖ撞苛鲃訜o旋轉(zhuǎn)的大渦；當(dāng)分流比在0.6～1.38之間時(shí)，燃?xì)饴妨餍透鼉A向于螺旋流狀態(tài)，在燃?xì)馊ǖ撞績?nèi)有旋轉(zhuǎn)的大渦；當(dāng)分流比介于0.49～0.58、1.48～1.61間時(shí)，流場可能處于兩種流型切換。當(dāng)流場處于分叉流或螺旋流狀態(tài)時(shí)，氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管出口的壓力穩(wěn)定，當(dāng)介于兩種流型狀態(tài)時(shí)的氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管出口壓力無法穩(wěn)定在某一固定值。當(dāng)燃?xì)饴诽幱诜植媪骰蚵菪鲿r(shí)，仿真殘差曲線見圖5；當(dāng)燃?xì)饴诽幱趦煞N流型切換時(shí)，仿真殘差曲線見圖6。

表1 計(jì)算結(jié)果

圖4 燃?xì)馊▋?nèi)兩種流動狀態(tài)流線示意圖Fig.4 Schematic diagram of streamline in three-branched pipe with two flow states

圖5 收斂時(shí)殘差曲線Fig.5 Convergent residual curve

圖6 不收斂時(shí)殘差曲線 Fig.6 Nonconvergent residual curve

3 冷態(tài)氣流試驗(yàn)

3.1 冷態(tài)氣流試驗(yàn)系統(tǒng)

為了復(fù)現(xiàn)熱試過程中燃?xì)饴返膲毫Ξ惓Ｌ鴦蝇F(xiàn)象，以適應(yīng)試驗(yàn)臺氮?dú)夤?yīng)能力，保證縮比件與全尺寸燃?xì)獍l(fā)生器入口馬赫數(shù)及雷諾數(shù)相同為原則，對燃?xì)饴愤M(jìn)行等比例縮放。燃?xì)饴啡肟谠O(shè)置質(zhì)量流量計(jì)測量進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器的總流量，氫燃?xì)鈱?dǎo)管出口設(shè)置固定尺寸的節(jié)流孔控制流量，氧燃?xì)鈱?dǎo)管出口設(shè)置調(diào)節(jié)閥，使氧路具備連續(xù)調(diào)節(jié)流量分配的能力。氣流試驗(yàn)系統(tǒng)簡圖如圖7所示。

圖7 氣流試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of gas flow test system

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在氣源壓力6 MPa、4 MPa、1 MPa下分別對未加整流裝置的燃?xì)饴房s比件系統(tǒng)進(jìn)行氣流試驗(yàn)，在一定分流比范圍內(nèi)，均能復(fù)現(xiàn)熱試車時(shí)燃?xì)饴返漠惓毫γ}動現(xiàn)象，說明燃?xì)饴返膲毫γ}動現(xiàn)象與燃燒室內(nèi)的燃燒過程及燃燒室壓力大小無關(guān)，只與燃?xì)夥至鞅扔嘘P(guān)。對試驗(yàn)壓力進(jìn)行無量綱處理，典型的試驗(yàn)壓力曲線見圖8。

圖8 氣流試驗(yàn)典型的壓力曲線Fig.8 Typical pressure curve of gas flow test

由圖8可見，當(dāng)分流比小于0.49時(shí)，燃?xì)獍l(fā)生器室壓及下游氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)壓力均無跳變現(xiàn)象,結(jié)合仿真分析，認(rèn)為此工況下燃?xì)饴穬?nèi)是穩(wěn)定的分叉流；當(dāng)分流比在0.5～0.56之間，燃?xì)獍l(fā)生器室壓及下游壓力均出現(xiàn)跳變。當(dāng)出現(xiàn)壓力跳變時(shí)，燃?xì)獍l(fā)生器室壓上升，氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)壓力下降，燃?xì)饴妨髯柙龃蟆．?dāng)分流比在0.56～0.62之間，燃?xì)饴穳毫γ}動幅值增大，流阻進(jìn)一步增加。當(dāng)燃?xì)夥至鞅仍?.62～0.65之間，燃?xì)獍l(fā)生器室壓和氫燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)出現(xiàn)向上跳動的異常臺階，氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)出現(xiàn)向下跳動的異常臺階。文獻(xiàn)[11]指出受擾動因素的影響可能會使流體從一個(gè)穩(wěn)定的基本流場進(jìn)入另一個(gè)穩(wěn)定流場即螺旋流。在熱試車或冷態(tài)試驗(yàn)過程中，燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)也可能會存在壓力或流線扭曲等擾動。在分流比0.5～0.65之間，受擾動因素的影響，可能會引起燃?xì)饴返牧鲌鲈诜植媪骱吐菪髦g相互切換。當(dāng)分流比大于0.67(此工況下分流比試驗(yàn)?zāi)芰ψ罡叩?.73)燃?xì)饴犯鲏毫μ冇窒?。結(jié)合數(shù)值仿真結(jié)果，推斷此工況下燃?xì)饴穬?nèi)是穩(wěn)定的螺旋流。由圖8可見，燃?xì)夥至鞅鹊纳毯徒党讨?，燃?xì)饴返膲毫γ}動現(xiàn)象均能較好地復(fù)現(xiàn)，壓力臺階在分流比降程中未能復(fù)現(xiàn)，說明壓力臺階的出現(xiàn)具有一定的隨機(jī)性。

為了抑制燃?xì)饴返漠惓毫γ}動，抑制氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)的螺旋流，在氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)靠近燃?xì)馊ㄎ恢梅謩e加入十字形的擋板，對燃?xì)饴愤M(jìn)行冷態(tài)氣流試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖9所示。由圖4可見，當(dāng)燃?xì)饴烦霈F(xiàn)螺旋流時(shí)，在燃?xì)馊ǖ牡撞考皻?氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)均存在較強(qiáng)的螺旋流動。但是由圖9可知，氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)設(shè)置十字形擋板后燃?xì)饴啡源嬖诋惓毫γ}動。因此，氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)出現(xiàn)的螺旋流不是引起燃?xì)饴樊惓毫γ}動的根本原因。

圖9 十字擋板的氣流壓力曲線Fig.9 Pressure curve of gas flow test with cross battle

燃?xì)馊▋?nèi)設(shè)置多孔狀的整流柵，并對帶整流柵的燃?xì)饴愤M(jìn)行不同壓力下的氣流試驗(yàn)，分流比在0～0.83范圍內(nèi)，燃?xì)饴匪袎毫闯霈F(xiàn)異常的壓力跳變、臺階等異常跳動現(xiàn)象。典型的試驗(yàn)曲線如圖10所示。

圖10 帶整流柵的氣流試驗(yàn)壓力曲線Fig.10 Pressure curve of gas flow test with cross battle

4 熱試車驗(yàn)證

數(shù)值仿真和氣流試驗(yàn)結(jié)果分別表明分流比在0.49～0.58、0.5～0.65的范圍內(nèi)會出現(xiàn)兩種流型切換的狀態(tài)，出現(xiàn)異常壓力脈動。在燃?xì)馊▋?nèi)設(shè)置整流柵，搭載全系統(tǒng)及泵聯(lián)試系統(tǒng)熱試車，試驗(yàn)燃?xì)夥至鞅仍?.47～0.621寬范圍調(diào)節(jié)，熱試結(jié)果表明整流柵可成功抑制燃?xì)饴樊惓毫γ}動，大幅降低燃?xì)鈮毫γ}動幅值。目前，整流柵已通過了多次熱試車考核，累計(jì)熱試車時(shí)間達(dá)5 400 s。典型的熱試車壓力曲線如圖11所示。

圖11 帶整流柵狀態(tài)熱試時(shí)燃?xì)獍l(fā)生器室壓Fig.11 Chamber pressure of gas generator in hot fire test with perforated device

5 結(jié)論

本文通過數(shù)值仿真、冷態(tài)氣流試驗(yàn)及熱試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對燃?xì)饴樊惓５膲毫γ}動現(xiàn)象進(jìn)行了研究，獲得以下結(jié)論。

1)燃?xì)馊▋?nèi)流動具有非線性的流動多解特性，存在分叉流和螺旋流兩種流型；在特定擾動下，燃?xì)馊▋?nèi)的螺旋大渦及氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)的螺旋流動會引起流阻增大，導(dǎo)致燃?xì)饴肪植繅毫μ儭?/p>

2)冷態(tài)氣流試驗(yàn)可以復(fù)現(xiàn)燃?xì)饴返膲毫μ儸F(xiàn)象，獲得燃?xì)饴返牧鲃臃€(wěn)定性邊界。燃?xì)饴返漠惓毫γ}動與燃燒過程及燃燒室壓力無關(guān)，只與分流比相關(guān)。

3)在氫/氧燃?xì)鈱?dǎo)管內(nèi)設(shè)置十字形擋板不能抑制燃?xì)饴返膲毫μ鴦蝇F(xiàn)象。

4)整流柵把三通底部的螺旋大渦破碎，經(jīng)冷態(tài)氣流試驗(yàn)及熱試車驗(yàn)證，可以有效抑制燃?xì)饴返漠惓Ｃ}動現(xiàn)象。