单喷嘴溅板式层板喷注器气/气掺混数值模拟研究

尹亮,丁杰,李旋旗

(1.湖南文理学院 机械工程学院,湖南 常德,415000;2.湖南应用技术学院,湖南 常德,415000)

在液体火箭发动机中,喷注器对发动机性能影响最大,良好的喷注器设计对推进剂雾化、混合、燃烧及稳定性等方面具有决定性作用。层板式喷注器是美国Aerojet公司在20世纪70年代研制的一种新型液体火箭发动机喷注器,具有集液腔容积小,响应特性好,脉冲小,比冲大等特点[1–2]。

国内外学者在层板式喷注器的设计、试验及性能分析等方面进行了大量的研究工作[3–4],但一般都是通过冷试、热试多次修改设计方案后获得成功的,有关层板式喷注器性能分析与设计等理论方面的研究基本上还处于空白,对其流动特性进行仿真分析也少有文献发表[5]。Mueggengurg[6]提出了一款针对O2/H2发动机的横向层板式喷注器,该喷注器共由44块层板组成,其中的16块层板厚度为0.127 mm,28块厚度为0.254 mm,每一层板均包括70个直径为2.362 2 mm的氧气孔,二个直径为3.175 mm的压力管道孔及无数个直径为0.254 mm的氢气孔,在经过一系列的试验后证明,该层板式喷注器表现出了良好的流动性,冷却性及抗堵塞能力。经过4 200个工作循环后喷注器无明显的失效和损坏发生,同时其燃烧效率在有面板冷却的情况下可提高1.5%左右。李家文等[7]提出一种气氧/甲烷层板式喷注器,该喷注器具有边区冷却剂流量调节固定装置,可根据试验要求调节冷却剂流量大小,并通过五块层板对推进剂进行分流控制,具有结构简单、响应特性好的优点。李君海[8]等设计研究了一种双组元气氧/丙烷小推力发动机,该发动机头部采用层板式喷注器结构,采用电火花塞进行点火,其推力为160 N,燃烧室压力0.62 MPa,真冲比冲达到2 961 m/s,并通过在喷注器边区布置气膜冷却方式结合高温抗氧化材料达到热防护的效果。Yin等[9–12]对溅板式层板喷注器进行了大量工作,对单喷嘴及多喷嘴溅板式层板喷注器气气燃烧特性进行了数值仿真研究,设计了一种气膜冷却层板式喷注器结构,采用气态甲烷作为冷却剂,对不同冷却孔参数下气膜冷却效果进行数值仿真分析,并在数值仿真基础上开展了气氧/甲烷层板式喷注器气气流量特性及燃烧特性试验研究。

综上所述,目前针对层板式喷注器的设计主要以试验为主,在设计理论、内部结构及流动特性等方面的研究较少。本文以目前国内研究较多的溅板式层板喷注器为对象,重点考察出口层喷嘴宽度对喷注器气气流动特性的影响,并对其内部掺混特性进行分析。

1 模型参数

喷注器结构参考文献[13]的设计方案。单喷嘴溅板式层板喷注器由入口层、中间层、出口层组成,厚度分别取0.3、0.6、0.3 mm。模拟过程中为了消除入口端长度对气体流动的影响,选择4倍入口长度进行计算。同时保持喷嘴间距及中间层喷嘴宽度不变,模拟过程中,入口质量流量不变,只改变出口层喷嘴宽度,L1/L分别取0.6、0.7、0.8、0.9,采用压力出口边界条件,壁面为绝热无滑移条件。推进剂分别选择气氧及气态甲烷,相关参数见表1。

表1 喷注器参数

从结构上来看,影响溅板式喷注单元性能的主要结构参数包括:出口层喷嘴间距D、扩张角γ、出口层喷嘴宽度L1、中间层喷嘴宽度L、中间层厚度H2、出口层厚度(喷注面板)H3、氧化剂入口孔径DO及燃料入口孔径Df等,溅板式层板喷注单元结构示意图及相关参数定义见图1。对网格进行划分时,由于层板单元尺寸较小,为了更好地对气体在层板通道中的流动情况进行分析,采用球面密度法对层板单元区域与燃烧室流体域相邻部分的网格进行局部加密;同时为减少网格数量,选取模型的一半进行计算。喷注单元网格划分情况如图2所示。

图1 溅板式层板喷注单元示意图

图2 计算域网格划分

2 结果及分析

2.1 流场分析

溅板式喷注单元具有性能高,相容性好,对工况及推进剂温度变化不敏感的优点,其喷注特点在于:推进剂从喷注器头部入口进入喷注单元体,经各层板孔及流道进行分流,最后由喷注面板梯形孔边缘呈一定角度扇形喷出。液体推进剂在流经喷注器流道时被剪切、破碎、强迫变形,撞击出口层喷注面板产生预雾化。因此,与传统射流撞击雾化不同,溅板式喷注单元由于其特殊的喷注方式,液膜厚度较小,撞击界面不明显甚至不存在。同时溅板式喷注单元由于性能高,相容性好,对工况及推进剂温度变化不敏感的特点而被广泛应用在小推力姿控发动机上。由于各层层板流道的交错排布,推进剂与喷注单元体接触面积大,能对喷注器头部进行有效冷却。

为了详细了解燃烧室内部流动及掺混情况,取出口层喷嘴宽度L1/L=0.6进行分析,对径向方向上燃烧室不同截面流线变化进行分析,各截面距喷注面板距离分别为5、15、25、35 mm,如图3所示。由于喷嘴出口为梯形结构,氧气出口面积较大,燃料与氧化剂撞击后在径向方向上存在一定速度差,在靠近燃料一侧首先形成较大回流区,氧化剂一侧回流区域较小。径向方向上回流区的存在有利于推进剂之间的混合,随着流动的不断发展,回流区逐渐变小、变弱,掺混效果变差。

图3 不同截面上回流区流线变化情况

图4为对称面上不同出口层喷嘴宽度对流场结构影响情况。由图4可知,喷注角越大,撞击点离喷注面越近,回流区位置也越靠近喷注面。采用VISIO软件对喷注角进行处理,获得各喷注器结构对应下的喷注角分别为54.0°、52.2°、34.5°、3.5°,即随着出口层喷嘴宽度的增大,喷注角越小。

图4 不同出口层喷嘴宽度下流线图

为了更好地观察燃烧室头部区域流动及混合情况,图5给出了喷嘴末端近场流线分布图,可以看出,燃烧室头部区域存在两个主要的回流区域,一是在燃烧室头部区域的较大回流区,二是在喷嘴末端区域有小尺度富氧/富燃回流区域形成,回流区的存在有利于推进剂之间的混合。由于喷注角及喷注速度不同,在径向方向上有较大的速度差,氧喷嘴末端流动速度较大,回流区位置均偏向氧化剂一侧。燃气回流虽然有利于推进剂的混合,但会对喷注面板的热防护产生不利影响[10]。

图5 喷嘴末端近场流线分布图

2.2 组分分布

为了进一步研究出口层喷嘴宽度对气气掺混的影响,对燃烧室组分分布进行了分析,这里选择冷流条件下氧质量分数分布作为判断依据。如图6所示,仿真结果表明,不同出口层喷嘴宽度下各喷注器掺混效果较好。由于氧气侧喷嘴面积较大,受回流区影响在靠近氧化剂喷嘴一侧氧浓度略高。同时可以看出,在距喷注面板20 mm位置各喷注器结构下氧质量分数分布不变,掺混已基本完成。

图6 燃烧室内氧质量分数分布

2.3 混合均匀性

图7为氧质量分数标准偏差沿燃烧室轴向分布,通过分析燃烧室各截面上氧气质量分数的标准偏差σ来表征该截面上氧气分布的均匀性程度。σ值介于0～1之间,其值越小混合均匀性越好。对混合均匀性进行判断时,常以σ＜0.05作为达到微观混合均匀的依据[16]。从图中可以看到,各喷注器掺混效果均较好,在距喷注面板5 mm处氧质量分数标准偏差已达到微观混合均匀的效果。而对于L1/L=0.9,由于喷注角较小,混合距离变长,在近喷注器面板附件混合效果略差。还可以看到,在燃烧室出口段基本掺混完全。整体来说,L1/L=0.7在近喷注器区域掺混效果最好。

图7 不同截面上氧质量分数标准偏差沿燃烧室轴向分布图

3 结论

通过对溅板式层板喷注单元的流动特性和混合特性进行模拟研究,可以得到以下结论:

(1)不同喷注器下流场结构不同,喷注角越大,撞击点离喷注面越近,回流区位置也越靠近喷注面;

(2)不同出口层喷嘴宽度下各喷注器掺混效果均较好。由于氧气侧喷嘴面积较大,受回流区影响在靠近氧化剂喷嘴一侧氧浓度略高;

(3)不同出口层喷嘴宽度下掺混效果均较好,在燃烧室出口段已基本掺混完全。总体来说,工况L1/L=0.7在近喷注器区域掺混效果最好。