孫 德，李培昌，馮 飛，王建宇

（1. 北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京，100074；2. 北京市航天試驗(yàn)技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京，100074）

0 引 言

流體混合器按混合的物理過(guò)程可分為動(dòng)態(tài)混合器、引射混合器和靜態(tài)混合器3種。靜態(tài)混合器是在管道內(nèi)部加入促進(jìn)混合的元件如葉片等的一種高效混合設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)[1]。國(guó)外從20世紀(jì)30年代開始對(duì)各種靜態(tài)混合器進(jìn)行研究[2～6]。

靜態(tài)氫氣混合器是一種在航天領(lǐng)域有重要應(yīng)用的混合器，Blumenthal采用CFD技術(shù)分析了航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的氫混合器，通過(guò)控制變量法得到最佳設(shè)計(jì)[7]；Richter等基于Matlab軟件對(duì)斯坦尼斯航天中心試驗(yàn)臺(tái)的氫氣混合器進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究，得到混合器的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了驗(yàn)證[8]；佘喜春等設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于石油化工行業(yè)的氫氣混合器，用于氫氣與原料、催化劑等均勻混合[9]；孫萬(wàn)明等發(fā)明了一種用于航天試驗(yàn)領(lǐng)域的層板式高壓低溫氣氫混合器，但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其在大流量混合狀態(tài)下的流阻較大[10]。

本文基于CFD平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種用于航天試驗(yàn)領(lǐng)域的靜態(tài)低溫氫氣混合器，并對(duì)其混合情況進(jìn)行了數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果，液氫與氣氫得到充分摻混，混合器流阻小于0.1 MPa，該混合器圓滿解決了某類火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中對(duì)大流量低溫氫氣的需求。

1 混合器設(shè)計(jì)

本文研究的目的是設(shè)計(jì)出一種混合效果好、壓降損失低的混合器，以解決某型號(hào)試驗(yàn)中大流量低溫氫氣的制取問(wèn)題。本次設(shè)計(jì)采用靜態(tài)螺旋式混合器，其結(jié)構(gòu)和外形如圖1所示。由圖1可知，混合器有一個(gè)液氫入口、一個(gè)常溫氣氫入口、一個(gè)低溫氣氫出口和一個(gè)清洗排放口?；旌掀鞯幕旌辖M件由液氫入口的起旋器和混合器內(nèi)的引流混合單元組成。

圖1 混合器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of the Mixer

流體在入口處被起旋器分割成兩股，起旋器后為微擴(kuò)張的帶孔錐筒，起旋后的兩股液氫通過(guò)錐筒減速擴(kuò)散；氣氫從側(cè)壁入口進(jìn)入混合器腔體，在正對(duì)入口的錐筒的下游設(shè)置了擋板以達(dá)到均勻流動(dòng)的目的，同時(shí)氣氫通過(guò)錐筒上的孔進(jìn)入錐筒與液氫初步摻混。隨后流體進(jìn)入混合器內(nèi)的混合單元，該單元對(duì)流體的混合作用主要為對(duì)流體進(jìn)行軸向的分流及徑向的混合。

混合器內(nèi)置3個(gè)混合單元，流體經(jīng)過(guò)混合單元時(shí)被強(qiáng)制旋流并均勻分成兩股旋轉(zhuǎn)方向相反的流體。如果流體流經(jīng)n個(gè)混合單元，葉片切割流體n次，使得流體被切割的層數(shù)増加至 S=2n，因此流體流經(jīng)的混合單元數(shù)越多，其混合效果越好。

2 流場(chǎng)及溫度數(shù)值模擬

本文利用Fluent對(duì)混合器內(nèi)的混合過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，將模型劃分為四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式。進(jìn)口邊界采用質(zhì)量流量進(jìn)口，出口邊界采用壓力出口，管外壁以及管內(nèi)靜態(tài)混合單元部分設(shè)置為無(wú)滑移壁面。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，分離求解器求解，耦合壓力場(chǎng)采用Simple算法。計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation Parameter

數(shù)值模擬結(jié)果如圖2～7所示，取3個(gè)截面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分別為中心截面和軸向截面，具體位置如表2所示。

表2 分析剖面坐標(biāo)及位置Tab.2 Coordinates and Location of the Section

混合器內(nèi)速度矢量云圖如圖2所示。由圖2可知，液氫在起旋器后分成兩股并順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)氣氫密度小、流速快，在進(jìn)入混合器繞流液氫擴(kuò)張錐筒的同時(shí)從小孔流入錐筒并與液氫發(fā)生摻混。經(jīng)過(guò)下游的混合單元時(shí)，混合氫被不斷強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)和分割，同時(shí)由于混合單元后漩渦的存在，促進(jìn)了不同溫度氫的混合。

圖2 混合器內(nèi)三維速度矢量云圖Fig.2 Velocity Vector Diagram in Mixer

中心截面溫度及壓力分布如圖3所示。由圖3可知，氣氫及液氫在經(jīng)過(guò)液氫擴(kuò)張段的初步摻混后，混氣溫度范圍約為100～180 K；再經(jīng)過(guò)三級(jí)混合單元充分摻混及熱交換后，溫度分布基本均勻，約120～121 K，出入口流阻約為0.02 MPa。

圖3 中心截面溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)分布云圖Fig.3 Distribution of Temperature Field and Pressure Field Central Section

2個(gè)軸向截面溫度壓力分布如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，隨著軸向距離逐步增加，截面的溫度、壓力分布逐漸趨于均勻，在出口前10 mm截面溫度已達(dá)到120 K，截面內(nèi)溫差小于1 K；壓力為15 MPa，截面內(nèi)壓差小于0.01 MPa

圖4 氣氫進(jìn)口截面溫度壓力分布云圖（Z=230mm）Fig.4 Distribution of Temperature and Pressure Cross-section of the Gas Hydrogen Inlet(Z=230mm)

圖5 氣氫出口截面溫度壓力分布云圖（Z=1350mm）Fig.5 Distribution of Temperature and Pressure Cross-section of the Gas Hydrogen Outlet(Z=1350mm)

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，混合器出口截面上的溫差不大于±1.5 K，流阻損失小于0.1 MPa，表明混合器內(nèi)部流體經(jīng)過(guò)不斷地分流、撞擊、旋轉(zhuǎn)、合流等過(guò)程，已經(jīng)充分摻混，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)混合器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了多種工況的試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)工況1的設(shè)計(jì)混合溫度為70 K，低溫氫流量為1.828 kg/s，出口壓力為10.5 MPa；

試驗(yàn)工況2的設(shè)計(jì)混合溫度為95 K，低溫氫流量為1.72 kg/s，出口壓力為11.1 MPa；

試驗(yàn)工況3的設(shè)計(jì)混合溫度為100 K，低溫氫流量為1.046 kg/s，出口壓力為6.4 MPa。

混合器出入口的壓差小于0.1 MPa，可認(rèn)為其混合過(guò)程為定壓過(guò)程?；旌掀鲉挝粫r(shí)間內(nèi)流入質(zhì)量與流出質(zhì)量相同，可認(rèn)為混合器內(nèi)流體總質(zhì)量保持不變，混合器內(nèi)部為閉口系統(tǒng)，根據(jù)閉口系統(tǒng)能量方程及定壓過(guò)程系統(tǒng)功的變化可以得到：

由焓的定義：

聯(lián)合導(dǎo)出定壓過(guò)程中：

式中 Qp為系統(tǒng)與外界的熱量交換；U為系統(tǒng)內(nèi)能；P為系統(tǒng)壓力；V為系統(tǒng)體積；H為系統(tǒng)焓值，即閉口系統(tǒng)定壓過(guò)程中與外界的熱量交換為系統(tǒng)焓的變化。

本系統(tǒng)中混合器外有聚氨酯發(fā)泡絕熱，混合時(shí)間又極短，可認(rèn)為混合過(guò)程為絕熱過(guò)程，因此與外界的熱量交換為零，即混合過(guò)程系統(tǒng)的焓變?yōu)榱?，?jù)此可以計(jì)算得出混合后低溫氫氣的溫度。根據(jù)試驗(yàn)工況的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以得到每種工況下混合器的工作參數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 混合器工作參數(shù)Tab.3 Working Parameters of the Mixer

按照表2中的計(jì)算結(jié)果設(shè)置了混合器入口液氫與氣氫的各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到3種工況下的混合器壓力曲線，如圖6所示。

圖6 混合器入口與出口壓力特性曲線Fig.6 Inlet and Outlet Pressure Curve of the Mixer

從圖6中可以看出，在3種不同工況下，混合器入口與出口壓差均小于 0.1 MPa，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

混合器出口溫度特性如圖7所示。

圖7 混合器出口溫度特性曲線Fig.7 Temperature Curve of the Mixer Outlet

續(xù)圖7

從圖7可以看出，混合器出口溫度在試驗(yàn)開始7 s后逐漸平衡，維持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，波動(dòng)較小，表明混合器內(nèi)流體混合狀態(tài)穩(wěn)定。工況1出口溫度約為71 K，工況 2出口溫度約為 94.5 K，工況 3出口溫度約為100.5 K。試驗(yàn)測(cè)量的混合溫度與設(shè)計(jì)溫度基本一致，最大誤差為1.4%，表明混合器內(nèi)的流體混合均勻，達(dá)到了預(yù)期的效果。不同工況的溫度及誤差如表4所示。

表4 不同工況溫度及誤差Tab.4 Temperature of Different Working Conditions and the Errors

4 結(jié) 論

本文基于CFD平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的低溫氫氣混合器內(nèi)的流體混合情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到混合器內(nèi)的流場(chǎng)及溫度分布。模擬結(jié)果表明，混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果，液氫與氣氫得到充分摻混，混合器壓力損失小于0.1 MPa。經(jīng)過(guò)不同工況的試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了混合器的進(jìn)出口壓力曲線及出口的溫度曲線，與數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果表明混合器摻混效果良好，氣氫與液氫達(dá)到充分混合，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，可以滿足試驗(yàn)中大流量低溫氣氫制取的需求。