陳曉萌，徐讓書，何童

（沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室，遼寧 沈陽 110136）

0 引言

超燃沖壓發(fā)動機是指燃料在超聲速氣流中進行燃燒的沖壓發(fā)動機。超聲速燃燒室溫度高達2500～3000K，高溫來流和燃料放熱對超燃沖壓發(fā)動機結(jié)構(gòu)熱防護提出嚴苛的要求。無論是傳統(tǒng)金屬材料還是復合材料，在不采用冷卻技術(shù)的條件下都無法承受發(fā)動機燃燒室的高溫環(huán)境。

本文整理了國內(nèi)外再生冷卻技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和再生冷卻發(fā)動機燃燒室耦合傳熱計算工具的研究現(xiàn)狀，總結(jié)相關(guān)文獻內(nèi)容中存在的不足，認為超燃沖壓發(fā)動機再生冷卻技術(shù)還可以在非穩(wěn)態(tài)計算方法、發(fā)展更寬的溫度壓力范圍內(nèi)煤油組分替代模型等方面開展深入研究。

1 超燃沖壓發(fā)動機再生冷卻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 煤油冷卻劑傳熱特性的研究現(xiàn)狀

王曦[1]等人在對燃燒室壁面進行傳熱計算時，重點考慮了煤油作為冷卻劑時，其物態(tài)隨溫度和壓力的變化以及高溫時出現(xiàn)的熱/催化裂解吸熱化學反應。對煤油熱裂解和催化裂解兩種過程的化學吸熱性能進行了對比，基于實驗數(shù)據(jù)發(fā)展了煤油熱/催化裂解總包反應模型，研究了熱/催化裂解效應對再生冷卻的影響。研究結(jié)果表明：煤油的裂解效應出現(xiàn)在燃燒室后半段，裂解效應將導致后半段熱壁溫度明顯降低，同時壁面熱流有所增加。比較兩種裂解效應，催化裂解比熱裂解更有效地提高了冷卻性能。兩種裂解都將導致煤油流速急劇增大，為冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻布局優(yōu)化提供參考。王永鵬[2]利用輻射加熱系統(tǒng)實驗研究了大慶3號航空煤油在主動冷卻試件中的對流傳熱特性。實驗分別測量了煤油在不同入口條件（溫度、壓力、流量）下，冷卻結(jié)構(gòu)的壁溫和油溫分布及其隨時間演化過程，獲得了在4-6MPa 壓力、350-600K 溫度下煤油的對流傳熱關(guān)聯(lián)式。通過與圓管傳熱試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，三維冷卻結(jié)構(gòu)對流傳熱系數(shù)是圓管的0.7 倍。仲峰泉等[3]采用結(jié)合燃燒室內(nèi)總溫分布經(jīng)驗關(guān)系式的一維分析方法，對采用煤油作為冷卻劑的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室再生冷卻進行了分析，為高超聲速飛行條件下主動冷卻系統(tǒng)的設計、優(yōu)化提供初步參考。

1.2 燃料冷卻效果一維分析工具研究現(xiàn)狀

采用一維分析方法、最初被設計應用于NASP（National AeroSpace Plane）計劃的飛行器綜合熱管理計算程序VITMAC (The Vehicle Integrated Thermal Management AnalysisCode)[4]已被應用在采用碳氫燃料作為冷卻劑的超燃沖壓發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設計中，可以對冷卻系統(tǒng)的傳熱過程進行計算分析。

MBDA和ONERA是LAPCAT2計劃中的積極合作伙伴，該計劃由歐盟資助，由歐空局/ESTEC協(xié)調(diào)，重點致力于8馬赫飛行器研究。他們共同開發(fā)的數(shù)值工具能夠在考慮熱交換、燃料流體動力學及其重整動力學的情況下模擬燃料冷卻結(jié)構(gòu)的運行[5]。MBDA公司已經(jīng)使用分析工具數(shù)值模擬對復合材料和金屬結(jié)構(gòu)進行了空氣動力學、化學、機械和熱研究。提出半經(jīng)驗一維分析程序NANCY，該程序已經(jīng)應用在超燃沖壓發(fā)動機燃燒室冷卻面板設計當中，程序中包含了正十二烷的熱型解模型，將適用范圍擴展到了碳氫燃料的熱型解區(qū)[6]。

法國MBDA公司用CFD-ACE工具對以H2和煤油為燃料的超燃沖壓發(fā)動機進行了一些計算。圖1的上半部分顯示燃燒室壁面上的壓力測量和一維分析的一致性都很好。下半部分顯示了兩種不同加油情況駐點溫度的彩色圖，這兩種情況都是Ma6飛行條件下在Bourges-Subdra實驗中心進行的模擬飛行試驗得到的結(jié)果。Bourges-Subdray中心設施升級后可以利用兩個吸熱燃料預熱器分別測試在燃燒室燃燒氣態(tài)甲烷和氫氣混合物時吸熱燃料對發(fā)動機的冷卻效果，也可以測試改造后的吸熱燃料產(chǎn)物對發(fā)動機的冷卻效果。

圖1 RegenerativeIy cooIed DMR

張鵬等[7]比較了幾種不同的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室流場一維經(jīng)驗模型，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一種結(jié)合燃燒室實驗靜壓數(shù)據(jù)與差值得到的燃燒室芯流面積、不依賴燃燒室總溫參數(shù)經(jīng)驗關(guān)系式的一維分析模型，編制的計算程序SSC-2對兩組典型的超燃燃燒室壁面靜壓實驗數(shù)據(jù)進行了演算，改進后的計算程序降低了數(shù)據(jù)處理過程中的不確定性，編制的程序能夠較好地獲得燃燒室流場參數(shù)，該模型對燃燒室出口總壓恢復系數(shù)的計算結(jié)果與實驗測量值基本一致，可應用于超聲速燃燒性能估算。

1.3 燃料當量比及輻射模型對冷卻效果影響研究現(xiàn)狀

戎毅等[8]提出一種求解燃燒室與冷卻通道的耦合方法，定量比較不同當量比下的超聲速流動、混合和燃燒特性。得出結(jié)論：燃燒室燃燒當量比對燃燒室內(nèi)環(huán)境影響劇烈，但對冷卻通道與燃燒室耦合傳熱的影響有限。當量比由0.67增加至0.84時，冷卻流量為5g/s的碳氫燃料出口溫度升高約5K，燃燒室內(nèi)壁面平均溫度只增加了30K，當量比的增加對冷卻通道內(nèi)的流動換熱基本沒有影響。孫維佳[9]等人采用將熱輻射與燃燒和流動耦合計算的方式，考察了燃氣溫度、壁面輻射熱流的變化，選用的燃料為H2，其當量比為0.033；選用的燃燒模型由9種反應物、19種反應組成，燃燒室所有壁面均設為非滑移壁面。）由燃燒／流動熱輻射的計算結(jié)果可知，燃燒室中段及后段溫度分布更加均勻，燃氣最高溫度比不考慮輻射時相比進一步降低，降幅達到200K左右；耦合計算中壁面輻射熱流的分布趨于平穩(wěn)。由此可知，在燃燒室中對燃燒流動和熱輻射的耦合計算有必要進行深入探討。

1.4 再生冷卻通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究現(xiàn)狀

蔣勁[10]結(jié)合中國空氣動力研究與發(fā)展中心吸氣式超聲速技術(shù)實驗室（CARDC-AHL）發(fā)展的超燃沖壓發(fā)動機三維內(nèi)流場計算軟件AHL3D與二維傳熱計算程序，建立了一套用于超燃沖壓發(fā)動機燃燒室再生冷卻的準三維熱分析計算工具，初步分析了再生冷卻結(jié)構(gòu)中材料的選擇、材料幾何尺寸等因素對再生冷卻效果的影響。

SPRITICH公司研制了超燃沖壓發(fā)動機熱交換器的分析工具SRHAT[11]（A Seramjet Ramjet Het Rxchanger Analysis Tool)，結(jié)合燃氣、冷卻劑流動與傳熱的二維分析方法對超燃沖壓發(fā)動機熱交換器的傳熱過程進行分析，該分析工具可以用來評估冷卻結(jié)構(gòu)在超燃沖壓發(fā)動機燃燒室高溫環(huán)境下的強度并且對發(fā)動機的冷卻結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，冷卻結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 NozzIe SidewaII PaneI StructuraI ResuIts

張志斌[12]通過理論計算確定了某飛行器的飛行環(huán)境，通過仿真計算確定了熱應力匹配的熱防護結(jié)構(gòu)。秦昂[13]等人針對當前超燃沖壓發(fā)動機再生冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究存在對經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式依賴的問題，且對流動壓力損失問題重視不足，采用響應面法結(jié)合多目標遺傳算法，以燃氣側(cè)平均壁溫和流動壓力損失為優(yōu)化目標，對單根再生冷卻通道的肋高、槽寬和肋厚進行優(yōu)化設計。張婕[14]等人建立了再生冷卻結(jié)構(gòu)超高溫加熱模擬試驗系統(tǒng)，解決了再生冷卻結(jié)構(gòu)在內(nèi)部冷卻液流動情況下單面承受高溫高熱流加熱模擬問題。實現(xiàn)了再生冷卻結(jié)構(gòu)各流道流量的精確控制，為再生冷卻平板結(jié)構(gòu)防熱性能評定的依據(jù)。

2 以上研究存在的問題

綜合上述文獻研究內(nèi)容，再生冷卻耦合傳熱過程的計算工具在大框架上已經(jīng)發(fā)展得比較完善，國外的一些研究成果已經(jīng)被做成具有較強通用性的應用軟件，但是上述工作仍存在不足。

在模擬燃燒室內(nèi)部的燃燒過程時，上述文獻大多采用結(jié)合經(jīng)驗關(guān)系式的一維方法，不能展現(xiàn)燃燒室流場的全貌，無法了解燃燒室流場詳細的參數(shù)分布，計算精度低；CFD方法計算時間過長，且煤油燃燒機理研究尚不成熟，發(fā)動機真實的工作過程中噴注條件的變化會使燃料燃燒性能發(fā)生變化。因此CFD方法不能全面反映碳氫燃料在不同噴注條件下燃燒性能的差異，對熱防護效果影響很大。采用結(jié)合實驗靜壓分布的、不依賴任何燃燒室經(jīng)驗模型的準一維穩(wěn)態(tài)方法分析了超燃沖壓發(fā)動機燃燒室的熱環(huán)境，將熱流密度計算值與通過其自行開發(fā)的高溫熱流傳感器測得的燃燒室內(nèi)壁面熱流密度進行了對比，得到了較好的結(jié)果。但穩(wěn)態(tài)計算無法反映燃燒室溫度場分布隨時間的變化情況。

分析燃燒室熱環(huán)境的一維方法中未采用燃燒模型，而是引入了實驗靜壓數(shù)據(jù)使方程問題封閉，并取得了較好的結(jié)果；陸陽等以燃燒室壁面熱流密度的必驗數(shù)據(jù)作為邊界條件對冷卻結(jié)構(gòu)與冷卻劑之間的傳熱狀況進行了研究，與實驗結(jié)果取得了較好的一致性，但二者都沒有對燃燒室的耦合傳熱過程進行整體性的研究，陸陽等人研究了壁面與冷卻劑間的傳熱過程，李龍研究了燃氣向壁面的傳熱過程。另外燃燒室壁面熱流密度的測量比較困難，數(shù)據(jù)點分布少，不能滿足燃燒室傳熱計算和設計要求。近年來一些針對燃燒室一維分析方法的研究中，研究人員通過加入反應機理的方式使得物理問題封閉，但此類方法有待進一步完善[15]。

3 結(jié)論與展望

通過對國內(nèi)外再生冷卻耦合傳熱計算工具研究情況的調(diào)研。認為還有以下幾方面可以展開深入研究：①為燃燒室內(nèi)部燃氣的流動與傳熱分析模塊加入煤油質(zhì)量分布模型以及燃氣熱輻射計算模型，而在冷卻通道內(nèi)流動與換熱的分析過程中，綜合考慮航空煤油的傳熱特性為燃燒室傳熱帶來的影響，以獲得更為準確的燃燒室壁面熱流密度分布。②發(fā)展在更寬的溫度、壓力范圍內(nèi)適用的煤油組分替代模型。③發(fā)展非穩(wěn)態(tài)計算方法，擴展程序的適用范圍。