張成印,徐姍姍,鮑錦華

(北京航天動力研究所,北京100076)

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推力調(diào)節(jié)閥流場分析

張成印,徐姍姍,鮑錦華

(北京航天動力研究所,北京100076)

摘要：為研究推力調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)對內(nèi)流場分布及流量特性的影響，利用計(jì)算流體力學(xué)方法對窗口式氣體調(diào)節(jié)閥的流場進(jìn)行了仿真計(jì)算，該調(diào)節(jié)閥在作為軟著陸下降級的液氧/甲烷發(fā)動機(jī)中起到推力調(diào)節(jié)作用。仿真得到了調(diào)節(jié)閥流場的壓力分布、速度分布。速度場分布給出了流場中各處流速分布及漩渦出現(xiàn)位置，證明了出口錐角對流場導(dǎo)流作用，能顯著影響出口流場中的漩渦數(shù)量；壓力場結(jié)果準(zhǔn)確表明流場中節(jié)流只發(fā)生在窗口位置，不存在二次節(jié)流，驗(yàn)證窗口設(shè)置及結(jié)構(gòu)的合理性；計(jì)算得到了不同調(diào)節(jié)工況下調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，變化趨勢為隨著推力工況增高而降低。

關(guān)鍵詞：下降級；推力調(diào)節(jié)；液氧/甲烷；窗口調(diào)節(jié)閥；CFD

1 引言

隨著航天事業(yè)的發(fā)展,通過載人航天器對外星球探索已成為現(xiàn)實(shí)［1］。最直接的方式為進(jìn)行外星軟著陸,軟著陸下降級發(fā)動機(jī)有著至關(guān)重要的作用［2］。

液氧/甲烷下降級發(fā)動機(jī)是一種設(shè)計(jì)中的軟著陸下降級發(fā)動機(jī),為滿足載人登月的先期需求,在整個(gè)載人登月任務(wù)中作為月面著陸器登月階段唯一的動力來源,需要為著陸器的地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月飛行降軌以及月面著陸等提供動力。整個(gè)過程中發(fā)動機(jī)工作時(shí)間長達(dá)數(shù)十天,需要具有大范圍變推力調(diào)節(jié)的特性［3］。推力調(diào)節(jié)閥為該發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)變推力調(diào)節(jié)的重要組件,在變推力時(shí),通過給電機(jī)發(fā)出指令,控制調(diào)節(jié)閥開度來改變做工介質(zhì)的流通量,從而改變渦輪泵轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)變推力調(diào)節(jié)［4］。

本文的研究對象為窗口節(jié)流形式調(diào)節(jié)閥,工作介質(zhì)為氣體,位于發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的渦輪旁通路,通過調(diào)節(jié)旁通路中分走的做工介質(zhì)流量改變渦輪功率,實(shí)現(xiàn)變推力調(diào)節(jié)［5］。推力調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 推力調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of thrust control

該結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥可以根據(jù)驅(qū)動電機(jī)步數(shù)的精密程度實(shí)現(xiàn)窗口開度的無級調(diào)節(jié)。通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法,對調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場進(jìn)行仿真分析,得到流場的速度、壓力分布情況并進(jìn)行分析。

對調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場的研究有助于更精確地掌握調(diào)節(jié)閥性能,更好地控制調(diào)節(jié)精度。

2 模型建立

推力調(diào)節(jié)閥為套筒窗口式結(jié)構(gòu),閥門內(nèi)流場通過流通窗口分為入口、出口兩部分流場。流通窗口作為節(jié)流元件,通過控制電機(jī)調(diào)節(jié)流通窗口在流場中的面積實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。建立的內(nèi)流場的模型如圖2所示。

圖2 內(nèi)流場模型Fig.2 Model for internal flow field

調(diào)節(jié)閥的節(jié)流窗口設(shè)計(jì)為多個(gè)均布在出口的圓周,窗口的結(jié)構(gòu)由三部分組成：調(diào)節(jié)余量、可調(diào)區(qū)域和固定流通區(qū)域。圖3為一種窗口結(jié)構(gòu)的示意圖。其中調(diào)節(jié)余量是留作備用,通常不進(jìn)入介質(zhì)通道,用以在實(shí)際使用與設(shè)計(jì)出現(xiàn)誤差或需要超出最大工況時(shí)補(bǔ)償窗口面積；可調(diào)區(qū)域?yàn)檎{(diào)節(jié)閥工作在不同工況時(shí)可調(diào)的流通面積,通過套筒的移動改變進(jìn)入流道的面積；固定流通區(qū)域代表調(diào)節(jié)閥通常工作狀態(tài)時(shí)的最小流通面積,該面積設(shè)定為一直保持在介質(zhì)通道中,采用圓錐形面以適當(dāng)增大運(yùn)行行程,避免狹縫流動。

圖3 調(diào)節(jié)窗口示意圖Fig.3 Sketch of regulation window

工作介質(zhì)為氣態(tài)甲烷,介質(zhì)的流動狀態(tài)為湍流,采用壓力邊界條件。

3 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)需求將調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)位置設(shè)置為從最高至最低分為10個(gè)工況,對10個(gè)不同工況條件進(jìn)行仿真分析。

仿真計(jì)算采用Fluent,運(yùn)用workbench進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分及后處理,網(wǎng)格劃分使用四面體網(wǎng)格。Fluent計(jì)算采用RNG k-ε湍流模型,壓力邊界條件。對調(diào)節(jié)閥流場進(jìn)行仿真之后得到流場的速度分布和壓力分布,取對稱截面中的仿真結(jié)果,分別對速度、壓力分布進(jìn)行分析。對稱截面如圖4所示。

圖4 流場對稱截面Fig.4 Symmetry section for flow field

3.1 出口流場結(jié)構(gòu)對比

在調(diào)節(jié)閥流場中,節(jié)流發(fā)生在窗口位置,介質(zhì)在經(jīng)過窗口后沿出口流場的徑向流入出口流場中。對比兩種出口流場結(jié)構(gòu)：直筒結(jié)構(gòu)和錐角結(jié)構(gòu)。圖5中所示為直筒出口的速度分布云圖和速度矢量圖,圖6中所示為錐角出口的速度分布云圖和速度矢量圖(對比選取窗口最小開度仿真結(jié)果)。

圖5 直筒出口流場Fig.5 Flow field for outlet with canister

圖5、圖6中,上圖為速度分布云圖,下圖為速度矢量圖。

如圖5所示,介質(zhì)在窗口處節(jié)流,流速最大。流動通過窗口節(jié)流面后形成射流進(jìn)入出口流場,在每股射流兩側(cè)形成兩個(gè)明顯的漩渦。在速度云圖中,在出口流場管路軸線與射流相交的位置出現(xiàn)一個(gè)中心近似靜止(流速接近0)、四周有流動的現(xiàn)象。從對應(yīng)矢量圖可以看出,這種現(xiàn)象出現(xiàn)原因?yàn)榉植荚诠軆蓚?cè)相對的窗口射流對撞,一部分介質(zhì)流動動量相互抵消,形成一個(gè)小的瞬時(shí)流動靜止區(qū)域。在周圍漩渦中心位置速度同樣接近0。

如圖6所示,加入錐角后,節(jié)流依然發(fā)生在窗口位置,流速最大。流動在通過窗口節(jié)流面后形成射流進(jìn)入出口流場,射流進(jìn)入后沿著錐角面流動,在尖角匯合成一股只在射流的外側(cè)出現(xiàn)漩渦(如圖6下圖的矢量圖所示)。直筒結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的射流對撞中心流動靜止情況不再存在。

對比直筒出口,加入錐角后出口流場漩渦數(shù)量減少一半,并且不存在射流對撞滯止的情況,說明可以增強(qiáng)流通性,降低流阻,因此在實(shí)際結(jié)構(gòu)中加入錐角導(dǎo)流。

圖6 錐角出口流場Fig.6 Flow field for outlet with taper

3.2 流場分析

為了便于比較分析,分別選取最小窗口開度、窗口半開和最大窗口開度的仿真結(jié)果進(jìn)行對比,針對流場的壓力、速度分布情況進(jìn)行分析。

圖7～9中所示為最小開度、窗口半開和最大開度下的流場壓力分布云圖。在不同窗口開度情況下,壓力的整體分布趨勢相同,入口段壓力最高,在窗口中壓力急速降低然后回升,入口段和出口段的壓力變化很小,壓力線集中在窗口處。表明整個(gè)流場中節(jié)流發(fā)生在窗口位置,其他位置不存在二次節(jié)流現(xiàn)象。

圖7 最小開度下壓力分布云圖Fig.7 Pressure nephogram for minimum case

圖8 窗口半開情況下壓力分布云圖Fig.8 Pressure nephogram for half window

圖9 最大開度下壓力分布云圖Fig.9 Pressure nephogram for maximum case

連續(xù)性方程如式(1)［6］所示：

式中ρ為介質(zhì)密度(本文研究中考慮介質(zhì)密度恒定),v為介質(zhì)流速,A為流通通道截面積。

當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)窗口處時(shí),流通面積急劇減小,對應(yīng)流動速度會急速增加。根據(jù)式(2)［6］所示伯努利方程,壓力的變化與速度相反,速度增加壓力會降低。窗口面積越小,從入口段到窗口和從窗口到出口段的變化率越大,這種變化趨勢就會越明顯,變化速度越快。因此,如圖7所示,在最小開度時(shí),壓力線只密布在窗口處,在窗口外影響范圍很小,但是壓力變化梯度很大；如圖8,隨著窗口開度的增大,當(dāng)窗口半開時(shí),流場中等壓線逐漸向窗口周圍擴(kuò)散,即壓力變化存在的空間范圍增大,壓力變化速率降低；當(dāng)窗口開度達(dá)到最大時(shí),如圖9所示,壓力梯度線已經(jīng)出現(xiàn)在流場入口管路部分,此時(shí)節(jié)流效果減弱,壓力變化范圍達(dá)到最大,但壓力梯度線仍然在窗口處最密集。三種開度情況壓力線分布位置對比說明開度由小到大,窗口面積增大,壓力變化范圍增大,變化速率減小,節(jié)流效果減弱。

式中p為介質(zhì)壓力。

圖10～12所示為速度分布云圖,圖13～15所示為速度矢量圖。不同開度條件下,速度的分布變化趨勢與壓力分布變化趨勢相同,由大開度到小開度,速度等值線向窗口中心集中,速度變化的范圍減小。小開度時(shí),壓降梯度大,介質(zhì)流速值高；大開度時(shí),壓降梯度小,介質(zhì)流速降低。

圖10 最小開度下速度分布云圖Fig.10 Velocity nephogram for Min case

圖11 窗口半開情況下速度分布云圖Fig.11 Velocity nephogram for half window

圖12 最大開度下速度分布云圖Fig.12 Velocity nephogram for Max case

通過圖13～15所示的速度矢量圖可以看出：在出口段的流動中,因?yàn)椴煌恢玫牧魉俨町?在局部位置形成了漩渦,圖中圈出了從窗口到出口間的渦旋發(fā)生位置。介質(zhì)從窗口流出時(shí)造成一股流速較高的射流,射流速度比周圍高,會在射流周圍形成漩渦,但是錐角的存在消除了出口段軸線中心的漩渦,只在射流外側(cè)和出口外壁間形成漩渦。從圖中可以看出,漩渦和錐角的共同作用,能使出口處的流速均等,出口流動穩(wěn)定。由大開度到小開度,因?yàn)樗俣茸兓姆秶鷾p小,窗口中流出的射流范圍減小,同時(shí)漩渦和錐角的影響減弱,造成出口處的流速降低,湍流強(qiáng)度減弱。

圖13 最小開度下速度矢量圖Fig.13 Velocity vectorgraph for Min case

圖14 窗口半開情況下速度矢量圖Fig.14 Velocity vectorgraph for half window

圖15 最大開度下速度矢量圖Fig.15 Velocity vectorgraph for Max case

綜上分析,隨著調(diào)節(jié)閥窗口開度的增大,壓力、速度變化范圍逐漸增大,等壓線由集中于窗口處逐漸向周圍空間擴(kuò)散,壓力變化率降低,介質(zhì)流速逐漸降低。

3.3 流量分析

推力調(diào)節(jié)閥在系統(tǒng)中的主要作用是調(diào)節(jié)甲烷氣體的流量,滿足不同工況壓力條件下的甲烷流量需求。在調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)中,需要得出不同工況條件下對應(yīng)的流量特性曲線,這樣才方便在后續(xù)的試驗(yàn)中進(jìn)行校正,方便投入使用。

在系統(tǒng)對推力調(diào)節(jié)閥提出的要求中,不同的工況下工作壓力、壓降、溫度和流量都不相同。閥門中氣體流量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式見式(3)［6］：

式中Qm為氣體流量,A為窗口流通面積,μ為流量系數(shù),P1為入口介質(zhì)壓力,T為入口介質(zhì)溫度。

在一種工況條件下,壓力、溫度條件固定,此時(shí)流量系數(shù)也基本固定,流量與面積呈正比關(guān)系?？梢酝ㄟ^計(jì)算得出滿足要求流量對應(yīng)的窗口開度,進(jìn)而得到不同工況下的流量系數(shù)。如圖16、17所示,流量系數(shù)隨要求工況的提高整體呈增大趨勢,窗口開度隨要求工況的提高呈減小趨勢。在發(fā)動機(jī)要求的系列工況中,流量系數(shù)隨窗口開度增大而減小。

圖16 流量系數(shù)曲線Fig.16 Curve for flow coefficient

圖17 不同工況下對應(yīng)窗口開度Fig.17 Window size for different cases

4 結(jié)論

1)在出口窗口后流場中加入錐角導(dǎo)流后,能夠有效減少出口流場中漩渦數(shù)量,降低流阻,增強(qiáng)閥門流場的流通性；

2)仿真壓力場表明,不同開度下流場中節(jié)流均只發(fā)生在窗口處,不存在其他位置的二次節(jié)流,調(diào)節(jié)窗口可以實(shí)現(xiàn)對閥門流量調(diào)節(jié)；

3)隨著窗口開度增大,壓力、速度變化范圍逐漸增大,等壓線由集中于窗口處逐漸向周圍空間擴(kuò)散,壓力梯度變化率降低,介質(zhì)流速逐漸降低,節(jié)流效果減弱；

4)在設(shè)計(jì)要求的變推力工況中,隨推力工況增加,窗口開度減小,流量系數(shù)增大。

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Flow Field Analysis of Thrust Control Valve

ZHANG Chengyin，XU Shanshan，BAO Jinhua
（Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 100076，China）

Abstract：The aim of the paper was to analyze the effects of thrust control valve structure on the internal flow field and the flux characteristic.The fluid flow of window-type thrust control valve，which could adjust the Lander descent engine with LOX/ methane，was simulated by the numerical method to investigate the pressure and velocity profile in the valve.From the distribution of velocity and locations of the vortex in the velocity field，it is proved that the outlet taper angle could effectively reduce the vortex in the flow.The pressure results indicated that the throttling effect on the flow only occurred nearby the window without the secondary flow.This also demonstrated the rationality of the window’s design.The flow coefficient of the valve under different flow conditions was documented and showed a decrease trend by the increasing thrust.

Key words：lander descent engine；thrust regulation；LOX/ methane；window-type thrust control valve；CFD

作者簡介：張成印(1985-),男,碩士,工程師,研究方向?yàn)橐后w火箭發(fā)動機(jī)閥門設(shè)計(jì)。E-mail：zcy851212＠163.com

基金項(xiàng)目：載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目(060302)

收稿日期：2015-08-10；修回日期：2016-02-29

中圖分類號：V434

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-5825（2016）02-0169-06