非同轴式Al/AP粉末发动机内流场数值计算

李旺 白桥栋 翁春生 汪京

摘要： 为研究非同轴粉末发动机燃烧室内的燃烧与流动特性， 对粉末发动机燃烧室内流场进行三维数值模拟， 分析了非同轴式粉未喷注、 火焰稳定器、 铝粉颗粒粒径对粉末发动机流场特性的影响。 计算结果表明： 采用非同轴的供粉方式可以促进反应物掺混燃烧； 在燃烧室内安装火焰稳定器、 减小铝粉粒径可以促进铝粉燃烧， 提升燃烧室内的压力和温度。

关键词： Al/AP粉末发动机； 两相流； 非同轴式供粉； 火焰稳定器

中图分类号： TJ763； V435文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2018）04-0033-06

0引言

Al/AP粉末发动机是以铝粉为燃料， 高氯酸铵为氧化剂的發动机。 通过流化输送装置改变粉末流量实现推力可调， 自身携带氧化剂和燃料的特点使其可以在真空中工作， 在航空航天领域具有良好的应用前景。

Al/AP粉末发动机的设计概念最早由Bell航空公司提出， 并且验证了其点火以及燃烧的可行性[1]； 申慧君使用科氏流量计对气固两相流进行测量， 调试出燃料流量稳定的工况[2]； 孔龙飞设计了驻涡式构型的粉末发动机， 并进行了地面直连实验， 验证了其多次点火的可能性[3]； 邓哲等人分析了不同粒度的铝粉在不同压强下的点火燃烧特性[4]； 张胜敏等人通过调节粉末燃料和氧化剂流量， 实现了粉末发动机的推力调节技术[5]； 韩超参考工业气力输送装置设计了一套粉末燃料供应系统[6]。 在数值研究方面， D′yachenko等人研究了粉末燃烧产物在喷管处的流动情况[7]； 李悦等人分析了不同氧燃比对粉末发动机燃烧性能的影响[8]； 冷林涛等人分析了喷注压力、 固相体积分数等因素对单组元粉末发动机的影响[9]。

在粉末发动机中， 粉末燃料随着流化气（一般使用氮气）进入燃烧室后形成一股高速的两相流。 由于铝粉蒸发后形成的铝蒸气在氮气中的扩散性较差， 在普通构型的燃烧室内氧化剂和铝蒸气混合的效果不理想， 燃料的燃烧率较低， 导致燃烧室内火焰的自维持具有一定的困难。 因此， 在燃烧室内设置火焰稳定器是十分必要的[10-12]。

国内外学者对粉末发动机的数值研究所建立的发动机模型均采用同轴式喷注供粉。 本文对同轴式喷注和非同轴式喷注两种供粉方式的发动机燃烧室内流场进行数值仿真， 研究了两种发动机燃烧室内温度和压力分布， 并以非同轴式粉末发动机为主， 分析有、 无火焰稳定器， 粉末颗粒粒径对发动机燃烧室内压力、 温度及铝粉燃烧率的影响。

1理论模型

1.1几何模型

1.2基本假设

为了简化计算， 做以下假设：

（1） 发动机内部流场为定常流场；

（2） 反应过程为AP的分解产物和铝蒸气反应， 气相反应为一步反应；

（3） 燃气为理想气体；

（4） 忽略辐射换热；

（5） 忽略产物的凝结沉积。

1.3计算模型

1.3.1化学反应模型

1.3.2湍流模型

1.3.3颗粒相模型

粉末发动机工作时， 燃烧室内粉末大量颗粒存在熔化、 蒸发等过程， 本文采用颗粒轨道模型（DPM）模拟颗粒相在连续相中的分布， 进行相间耦合计算， 考虑由颗粒引起的热量传递和动量传递。 颗粒相计算方程组包括颗粒相的连续性方程、 动量方程、 能量方程（不考虑辐射换热）。

1.3.4计算模型适用性

文献[8]和[14]均采用标准k-ε两方程模型、 颗粒轨道模型、 有限速率/涡耗散模型计算金属颗粒与氧化剂的反应。 文献[8]将数值计算得出的比冲与Bell航空公司的实验数据进行对比， 计算误差为10%， 可信度较高， 验证了模型的适用性。 因此， 上述模型适用于Al/AP粉末发动机燃烧流动的计算。

1.4计算网格划分及边界条件

1.4.1计算网格

图2所示分别为非同轴式喷注供粉发动机、 有火焰稳定器的非同轴式发动机、 同轴式供粉发动机的计算网格。

1.4.2边界条件

入口边界条件： 铝颗粒质量流量为0.16 kg/s， AP颗粒质量流量为0.32 kg/s。 流化气采用氮气， 其质量流量在保证气流速度相同的条件下确定， 同轴式流化气流量： 铝粉入口为0.13 kg/s， AP粉末入口为0.39 kg/s， 温度为300 K； 非同轴式流化气流量： 两个入口的流化气质量流量均为0.03 kg/s。

出口边界条件： 出口静压为0.1 MPa， 温度为300 K。

壁面边界条件： 在壁面上采用无滑移条件， 温度采用绝热壁面条件， 压力梯度为0。

2计算结果及分析

2.1供粉方式对发动机内流场的影响

图3所示为两种供粉方式发动机燃烧室内的温度分布。

两种发动机模型中， 燃烧室内的温度均在2 000 K以上， 当燃气到达发动机尾部时， 燃烧室内有温度最大值。 同轴式供粉发动机燃烧室内的高温区靠近燃烧室壁面呈“圆环状”， 最高温度4 072 K， 工作压力0.89 MPa。 当供粉方式为非同轴式供粉时， 燃烧室内的高温区在中心轴线附近， 最高温度4 180 K， 工作压力为0.92 MPa。

美国Bell航空公司对Al/AP粉末火箭发动机进行了热力计算， 当氧燃比为2时， 燃烧室内的温度峰值为4 200 K[1]， 与计算结果相符合。

在非同轴式粉末发动机中， 当铝粉和AP粉末分别进入燃烧室后， 入口段管径的突扩处产生的回流作用使得两种粉末在燃烧室轴线处掺混并发生化学反应， 火焰区在燃烧室轴线附近。 而同轴式粉末发动机中大部分的粉末被流化气包裹离开燃烧室， 混合效果较差， 只有少部分粉末在蒸发后依靠扩散作用掺混反应， 燃料燃烧率较低， 使得燃烧室外侧温度高于中心轴处。

2.2火焰穩定器对燃烧流动的影响

以非同轴式供粉发动机为例， 在燃烧室内距入口40 mm的位置设置了钝体火焰稳定器， 火焰稳定器长度20 mm， 底面直径30 mm， 分析火焰稳定器对燃烧流动的影响。

图4～5所示为设置火焰稳定器前后燃烧室内铝蒸气质量分数的分布云图。 无火焰稳定器时， 铝蒸气沿壁面扩散， 燃烧室内反应区的铝蒸气质量分数为20%； 设置火焰稳定器后， 蒸气进入燃烧室后迅速向四周扩散， 在到达喷管前几乎充满整个燃烧室， 反应区铝蒸气的质量分数提高至43%。

综上所述， 钝体火焰稳定器的扰流作用促进了组分在燃烧室内的扩散， 稳定器下游回流区对铝的卷吸作用可以提升铝的燃烧率， 使反应更加充分。

2.3铝粉粒径对燃烧特性的影响

图7所示为不同粒径铝粉燃烧时燃烧室内的温度分布， 图8所示为各个截面的温度最大值沿轴线的变化。 由图可知， 30 μm铝粉燃烧时， 燃气在距离入口75 mm处温度就达到4 000 K以上， 距离入口160 mm时， 温度达到最大值4 320 K， 火焰向燃烧室的尾部稳定传播， 喷管前火焰的最高温度依然能达到4 000 K， 高温区域的形状最“饱满”。

当铝粉直径增大到50 μm和100 μm时， 燃气升温速率降低， 距入口75 mm处燃气最高温度小于4 000 K， 距离入口160 mm处的温度峰值降低， 火焰的自维持能力减弱， 到达喷管前火焰区的温度峰值仅为3 400 K和3 170 K， 高温区域在轴向上向燃烧室头部“收缩”， 在径向上向壁面移动。

燃烧室内温度出现此种现象， 一方面是由于铝粉直径减小， 其比表面积增大， 单位体积单位时间内通过对流换热吸收的能量升高， 不仅缩短了单个颗粒蒸发的时间， 同时加快了燃料和氧化剂的反应速率， 使得燃烧室内迅速升温； 另一方面是减小铝粉的直径可以改善颗粒的随流性， 来流的铝粉直径越小， 越容易受到回流区域的卷吸作用， 燃料可以充分燃烧， 火焰稳定传播， 表现为燃烧室内的高温区域“饱满”， 而颗粒直径较大的铝粉具有较大的惯性， 到达火焰区时不易被卷吸， 燃料未能完全燃烧， 火焰在传播的过程中由于回流区内燃料的供给不足， 温度迅速降低， 表现为高温区域的“收缩”。

压力沿燃烧室轴线的分布如图9所示。 30 μm， 50 μm， 100 μm铝粉燃烧时， 发动机稳定工作的压力分别为1.25 MPa， 1.08 MPa， 0.98 MPa， 温度分布与压力分布基本一致。

3结论

（1） 非同轴式粉末发动机中， 反应物在燃烧室前中部分的混合燃烧主要依靠入口的突扩作用， 燃烧室中后段突扩作用减弱。 安装火焰稳定器一方面可以促进组分在燃烧室内的扩散； 另一方面在突扩作用减弱后， 稳定器后方形成的回流区卷吸未能充分燃烧的燃料， 使燃料在燃烧室中后段能充分燃烧， 具有稳定火焰的作用。

（2） 直径较小的铝粉蒸发和燃烧速率较快， 较好的随流性使其更容易被卷吸， 大部分未燃燃料进入回流区燃烧， 火焰传播稳定， 燃烧室内的高温区域较“饱满”。 较大粒径的铝粉不易被卷吸， 部分燃料未能进入回流区燃烧， 导致高温区域向燃烧室壁面和头部“收缩”。

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Abstract： To investigate the combustion and flow characteristics in the combustion chamber of noncoaxial powder engine， a 3D numerical simulation of the flow field in the combustion chamber is conducted. The effects of noncoaxial powder injection mode， flame holder and the diameter of aluminum particle on the flow field characteristics of powder engine are analyzed. The calculation results show that the noncoaxial powder feeding mode can promote the mixing and combustion of reactants in the engine. Installing flame holder and reducing the diameter of aluminum particle can improve the combustion performance of aluminum powder and increase the pressure and temperature in the combustion chamber.

Key words： Al/AP powder engine； twophase flow； noncoaxia