嚴 聰,何國強,劉 洋,張志峰

(1西北工業(yè)大學固體火箭發(fā)動機燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場國防科技重點實驗室,西安 710072;2空軍工程大學導彈學院,陜西三原 713800)

0 引言

固體火箭發(fā)動機中,熱防護層在工作期間始終處于高溫、高壓燃氣兩相流的沖刷下,條件極為惡劣,而在旋轉(zhuǎn)條件下,固體火箭發(fā)動機內(nèi)凝相顆粒的運動軌跡和顆粒聚集濃度分布規(guī)律在離心力的作用下會發(fā)生較大改變,這種顆粒運動軌跡和聚集濃度分布的改變對于發(fā)動機內(nèi)燃流動、裝藥燃燒以及絕熱層熱防護的影響規(guī)律目前還不是很清楚。對于長尾噴管發(fā)動機來說,由于發(fā)動機流道中流動參數(shù)變化劇烈,旋轉(zhuǎn)對于絕熱層燒蝕的影響更為復雜,為了保證導彈能夠滿足設計要求,達到較高水平的作戰(zhàn)性能,迫切需要開展該方面的研究[1-9]。對于旋轉(zhuǎn)條件下長尾噴管發(fā)動機絕熱層燒蝕研究尚未見報道,文中基于旋轉(zhuǎn)條件下長尾噴管發(fā)動機三維兩相流場計算結(jié)果,通過提取燒蝕邊界參數(shù),利用碳化燒蝕模型開展了旋轉(zhuǎn)條件下的絕熱層燒蝕預示。

1 燒蝕計算模型

1.1 物理模型和燒蝕邊界參數(shù)

針對長尾噴管發(fā)動機的絕熱層結(jié)構(gòu)特點,將絕熱層簡化為圖1所示的3塊計算區(qū)域,計算區(qū)域包括后封頭段(區(qū)域1)、收斂段(區(qū)域2)和長尾噴管段(區(qū)域3)。旋轉(zhuǎn)條件下流場是三維的,但顆粒的沖刷效應主要體現(xiàn)在絕熱層的局部區(qū)域,為了簡化計算,文中根據(jù)計算結(jié)果選取了燒蝕參數(shù)較為惡劣的10個點,求解時轉(zhuǎn)化成二維問題,以此來進行絕熱層的燒蝕預示。開展過載條件下長尾管燒蝕分析,需要解決的問題包括壁面?zhèn)鳠岱治?粒子沖刷引起的熱增量分析,基于溫度場計算的燒蝕分析和在粒子沖刷條件下的燒蝕規(guī)律等。經(jīng)過分析,文中認為計算中需要關(guān)注的燒蝕邊界參數(shù)有Re數(shù)、顆粒聚集濃度mp、顆粒沖刷速度Vp和角度α。

圖1 絕熱層計算區(qū)域

表1給出了顆粒直徑為 70μ m、旋轉(zhuǎn)速度為500r/min時的典型燒蝕邊界參數(shù)。

表1 燒蝕邊界參數(shù)

1.2 燒蝕機理分析

以往的研究表明:過載條件下絕熱層燒蝕加劇的原因是因為凝相顆粒在加速度作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),在絕熱層局部形成高濃度、速度和一定角度的強沖刷區(qū)域和強換熱區(qū)域[9]。而對于旋轉(zhuǎn)條件下,文中認為凝相顆粒同樣會在離心力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),在發(fā)動機內(nèi)局部形成高強度沖刷區(qū)域,造成絕熱層的燒蝕加劇,這兩種不同條件下的燒蝕在本質(zhì)上是相同的。另外從表1的燒蝕邊界參數(shù)可知,對于長尾噴管發(fā)動機來說,后封頭處的燒蝕主要以顆粒的機械剝蝕和熱化學燒蝕為主導,而長尾噴管段由于氣流速度很高,顆粒和壁面的碰撞作用減弱,主要以高速氣流條件下的熱化學燒蝕為主導。

1.3 數(shù)學模型

由于整個絕熱層表面的燒蝕邊界參數(shù)差別較大,燒蝕過程中絕熱層邊界的推移是不規(guī)則的,因此通過建立在適體網(wǎng)格上的燒蝕模型來預示絕熱層型面推移。網(wǎng)格采用T TM方法生成,正交化處理采用Middleoff方法。

由于熱化學燒蝕的計算缺乏必要的數(shù)據(jù),文中采用傳統(tǒng)的炭化燒蝕模型開展長尾管燒蝕分析,并假設絕熱層在燒蝕過程中形成炭化層、熱解層和基體層。其適體坐標系ξ-η下的二維導熱通式[10]如下:

計算中考慮燃氣對絕熱層的對流換熱、輻射換熱以及顆粒沖刷引起的熱增量,其中顆粒沖刷熱增量的計算關(guān)系式為:

式中:Cp為顆粒比熱;Tp為顆粒的溫度;Tw為材料表面溫度。

計算方程中一階項和時間項用前差格式,二階項用中心差分格式,求解采用線迭代掃描法。

2 燒蝕預示結(jié)果

2.1 燒蝕模型驗證

圖2和圖3分別給出了旋轉(zhuǎn)條件下固體火箭發(fā)動機典型的顆粒聚集濃度分布以及地面過載模擬實驗原理。

計算結(jié)果表明:旋轉(zhuǎn)會在很大程度上改變?nèi)紵夷嗔Ｗ拥倪\動規(guī)律,在燃燒室的承載面上粒子高濃度聚集,并在后封頭處形成了顆粒濃度聚集極大局域,造成此區(qū)域絕熱層的燒蝕加劇。基于旋轉(zhuǎn)條件下絕熱層燒蝕加劇的機理,可利用過載地面模擬實驗方法來開展試驗,其工作原理是:兩相燃氣從燃氣發(fā)生器流出,經(jīng)過收斂段,顆粒向中心匯聚,聚集后的高濃度顆粒流以一定角度沖刷絕熱層試件,從而來模擬旋轉(zhuǎn)條件下高濃度顆粒沖刷條件下的絕熱層燒蝕。其中兩相流的狀態(tài)參數(shù)(速度、濃度和角度)可通過數(shù)值模擬結(jié)果來確定,通過調(diào)整實驗裝置的工作參數(shù)(燃氣參數(shù)、壓強等)以及幾何參數(shù)(實驗段轉(zhuǎn)折角、噴管大小等)來保證和旋轉(zhuǎn)條件下的絕熱層燒蝕環(huán)境一致。圖3給出了實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖,實驗裝置由推進劑、燃燒室、收斂段、轉(zhuǎn)折段、長尾實驗段和噴管等部分構(gòu)成。實驗中絕熱層均采用碳纖維/酚醛模壓材料,其中碳纖維/酚醛模壓材料的特性參數(shù)如下:密度:1391kg/m3,導熱系數(shù):0.592W/(m K),比熱容:0.811kJ/(kg K)。實驗后長尾段最大燒蝕率為0.89mm/s,而采用文中模型的計算結(jié)果為0.82mm/s,誤差為7%左右,表明文中建立的模型可用于開展旋轉(zhuǎn)條件下長尾噴管發(fā)動機絕熱層的燒蝕預示。

2.2 典型計算結(jié)果與分析

文中針對表1中給出的典型燒蝕邊界參數(shù),利用建立的適體網(wǎng)格坐標下的炭化燒蝕計算模型,開展了旋轉(zhuǎn)條件下長尾噴管發(fā)動機絕熱層的燒蝕預示計算。圖 4給出了后封頭段絕熱層的溫度場分布及燒蝕預示結(jié)果。

圖4 后封頭段絕熱層溫度場分布及燒蝕預示

在發(fā)動機后封頭段,由于翼槽頂部所對位置處的顆粒濃度和沖刷速度都較大,此處絕熱層溫度傳播速度較快,隨著時間的推移,絕熱層表面形成了明顯的凹坑;在收斂段,絕熱層的上游和下游位置燒蝕較中部嚴重,分析認為上游位置顆粒沖刷角度較大,燒蝕主要是由于凝相粒子流的直接高速沖刷造成的,而下游位置處,氣流速度隨著流道截面直徑的減小而增加,對流換熱強度大幅增加,造成燒蝕也較為嚴重;長尾段的前部和后部均有一定量的燒蝕,分析認為,長尾段前部的燒蝕是由于來自于燃燒室的粒子在過載作用下機械沖刷造成的,而長尾段后段的燒蝕一方面來自于對流換熱的增強,另一部分來自與凝相顆粒流的二次機械沖刷,即顆粒在首次和長尾噴管入口段與前部碰撞后發(fā)生反彈,在高速氣流的作用下,在對絕熱層表面性成剪切性沖刷,使得該處的燒蝕加劇造成的。

另外從計算可以看出,各段的炭化燒蝕率都隨時間呈現(xiàn)先增加、后減小并逐漸穩(wěn)定的變化趨勢,這主要是由于在計算開始時刻,炭化層處于形成階段,所以這一段的絕熱層的燒蝕速率較高,而后炭化層厚度達到一定的厚度,此時燒蝕率達到最大,然后炭化層開始發(fā)生剝蝕,絕熱層的燒蝕率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

表2給出了顆粒直徑為 70μ m 、旋轉(zhuǎn)速度為 500r/min時的絕熱層不同區(qū)域燒蝕率結(jié)果。從計算結(jié)果可以看出,長尾噴管發(fā)動機的后封頭段、收斂段以及長尾段上絕熱層的燒蝕速率存在一定的差異,比較三個位置上絕熱層的燒蝕狀況可以看出,長尾噴管發(fā)動機的收斂段和長尾段上絕熱層的燒蝕速率相對較低,而長尾噴管的后封頭段的上絕熱層的燒蝕速率相對較高,約為長尾噴管入口段和長尾段上絕熱層燒蝕速率的1.5～2.4倍。在該工況計算條件下,長尾噴管的后封頭段是燒蝕率較大的位置,對該位置上絕熱層的燒蝕問題應該予以特別的重視。

表2 燒蝕率結(jié)果 mm/s

2.3 不同旋轉(zhuǎn)速度條件下的絕熱層燒蝕預示

基于文中建立的燒蝕計算模型,分別針對不同旋轉(zhuǎn)速度和顆粒大小開展了長尾噴管絕熱層的燒蝕預示,圖5和圖6分別給出了典型的計算結(jié)果。

圖6 不同顆粒大小對燒蝕率的影響(100r/min)

和無旋轉(zhuǎn)條件下的燒蝕率相比,旋轉(zhuǎn)對燒蝕率的影響非常顯著。首先燒蝕率差別大,在前封頭處,旋轉(zhuǎn)條件下燒蝕率最大達到了1.93mm/s,而無旋轉(zhuǎn)條件下為0.25mm/s,相差達到了7～8倍。其次燒蝕的最大位置發(fā)生了變化,在無旋轉(zhuǎn)條件下,燒蝕較為嚴重的地方是收斂段處,由于此處絕熱層和燃氣流動方向具有一定夾角,流道直徑逐漸減小,兩相流速度越來越快,絕熱層不僅受到顆粒的機械作用,較快速度的燃氣也增強了局部的對流換熱系數(shù),因此此處絕熱層燒蝕最為嚴重,在長尾段內(nèi),由于顆粒不受其它外力影響,運動軌跡主要由燃氣來主導,顆粒和壁面的碰撞作用較小,燒蝕主要以化學燒蝕為主。在旋轉(zhuǎn)條件下,燒蝕最為嚴重的位置為后封頭段,由于此處流動通道直徑大,顆粒運動速度較慢,旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力對顆粒的作用影響很大,絕大部分顆粒都阻滯在此處,不僅對后封頭處的熱環(huán)境造成了影響,而且大量凝相顆粒的機械碰撞和剝蝕作用大大增加了此處絕熱層的燒蝕率,同樣,其它區(qū)域由于旋轉(zhuǎn)的存在,絕熱層的燒蝕率也要比無旋轉(zhuǎn)條件下的燒蝕率要大。不同旋轉(zhuǎn)速度對燒蝕率的影響計算結(jié)果表明:隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加,燒蝕率是逐漸增加的。

計算結(jié)果表明:在相同的旋轉(zhuǎn)速度下,隨著顆粒直徑的增加,由于顆粒的隨流性逐漸變差,在長尾噴管發(fā)動機的后封頭段和收斂段,絕熱層的燒蝕率基本上是逐漸減小的。直徑較大的顆粒(70μ m)在長尾段的下游位置形成了一定的碰撞,燒蝕程度略有增加。

3 結(jié)論

1)和無旋轉(zhuǎn)條件相比較,旋轉(zhuǎn)條件下長尾噴管發(fā)動機絕熱層的燒蝕位置和燒蝕率都有顯著變化,燒蝕率最大差別達到了7～8倍;

2)旋轉(zhuǎn)條件下,后封頭處的燒蝕遠遠大于其它區(qū)域,后封頭處的燒蝕是由高濃度的顆粒直接沖蝕絕熱層造成的,其它區(qū)域的燒蝕主要以熱化學燒蝕為主;

3)隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加,絕熱層各區(qū)域的燒蝕率是逐漸增加的;隨著顆粒直徑的增加,在后封頭段和收斂段的燒蝕率是逐漸減小的。

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