燃气发生器喷注面烧蚀问题数值仿真研究

2019-09-23孔维鹏丁兆波

导弹与航天运载技术 2019年4期

孔维鹏，丁兆波，潘亮

（北京航天动力研究所，北京，100076）

0 引言

燃气发生器是液氧/液氢火箭发动机中非常重要的部件。国内外研究人员采用试验的方式对液氧/液氢燃气发生器的燃烧效率[1]、燃烧稳定性[2]、喷注器对燃烧的影响[3]等进行了较为深入的研究；文献[4]在燃气发生器氢腔均匀性改进设计中采用了数值仿真的方法对氢腔的流动进行了模拟，对均流方案的筛选提供了有力支撑。在液氧/液氢发动机推力室燃烧过程的研究中，数值仿真方法已得到广泛应用。文献[5]研究了湍流喷雾模型对氢氧发动机燃烧仿真的影响；文献[6]、文献[7]对氢氧发动机的燃烧稳定性进行了数值模拟；文献[8]提出了一种氢氧湍流两相燃烧仿真模型。

针对氢氧燃气发生器燃烧过程，文献[9]的研究结果表明数值仿真方法能够有效地应用于氢氧燃气发生器燃烧过程中；文献[10]采用PISO算法对氢氧燃气发生器的点火启动过程进行了瞬态数值仿真，化学反应模型采用考虑6组分7步反应的涡耗散概念模型，成功捕捉到燃气发生器的点火界面。

某液氧/液氢发动机燃气发生器在试车过程中喷注面多次出现烧蚀，烧蚀区域周向位置位于氢喷嘴之间，如图1所示，但每次试车后烧蚀所对应的氢喷嘴不固定，具有随机性。本文对喷注面烧蚀的原因进行了数值仿真研究，通过对氧喷嘴不同喷雾角、喷雾角不均匀以及喷雾液膜局部缺失状态下的燃烧流场进行数值仿真，得到不同状态下喷注面附近的流场分布，从而得出造成喷注面烧蚀的原因，并通过喷雾试验验证了数值仿真结果，为喷注器的改进提供依据。

图1 燃气发生器喷注面烧蚀区域示意Fig.1 Schematic Diagram of Ablation Area on Injection Surface of Gas Generator

1 物理模型和数值方法

燃气发生器主要由喷注器、预混室、燃烧室等组成，喷注器中心为液氧离心式喷嘴，周围均匀分布着18个超临界氢直流式喷嘴，液氧经过喷嘴喷出后雾化蒸发，与超临界氢在预混室混合后参与燃烧。

燃气发生器内存在液滴喷射、雾化、蒸发，气相组分的扩散、混合、氢氧化学反应等各种复杂物理化学过程。为简化计算，本文对模型进行以下简化：a）不考虑液氧在氧腔内的流动、液膜的破碎等过程，直接在氧喷嘴出口截面定义液滴的分布；b）不考虑超临界氢在氢腔内的流动，考虑喷嘴对氢喷射的影响，从氢喷嘴入口截面开始建模；c）不考虑壁面与外界的换热过程，将壁面简化为绝热壁面。简化后模型如图2所示。

图2 燃气发生器简化模型示意Fig.2 Schematic Diagram of Simplified Gas Generator Model

1.1 控制方程

燃气发生器中的混合气体包括氢气、氧气以及反应产物等，气相流动采用带化学反应源项和蒸发源项的三维湍流流动的Navier-Stokers方程来描述。

质量守恒方程为

动量方程为

能量方程为

1.2 湍流模型

湍流模型采用标准k-ε模型，该模型已在氢氧火箭发动机湍流燃烧过程仿真中得到广泛应用，且可在保证精度的前提下减少仿真计算量[11]。近壁区雷诺数较低，采用壁面函数法。

1.3 离散相模型

忽略液氧液膜的破碎等过程，利用离心式喷嘴的流量特性及相关理论，直接在氧喷嘴出口截面定义液滴的尺寸及速度分布，液滴的直径分布服从Rosin-Rammler分布。液滴轨迹采用Lagrange坐标下的随机轨道模型：

式中 ρ，ρp分别为气相和液滴的密度；dp为液滴的直径；CD为阻力系数；u,up为气相和液滴的速度矢量。

1.4 化学反应模型

由于燃气发生器内液氧的蒸发速率很快，因此认为氢氧化学反应速率,irR 由蒸发和化学反应过程共同控制，即：

Ri,EBU采用Spalding提出的湍流预混火焰燃烧模型计算； Ri,Arr按Arrhenius公式计算，考虑氢氧单步化学反应：

2 计算方法及初边值条件

由于非结构网格对复杂型面具有较好的适应性，本文采用非结构网格，对氢喷嘴、预混室内流场变化比较剧烈的区域以及喷注面附近网格进行了局部加密，网格数目约为373万，计算网格如图3所示。

图3 计算网格示意Fig.3 Schematic Diagram of Computational Grid

求解器采用稳态求解器，求解算法采用SIMPLEC算法。压力采用二阶离散格式，密度、动量方程、气体组分和能量方程等均采用二阶迎风离散格式。

超临界氢喷嘴入口给定流量、总温及压强；出口给定压力及温度；壁面采用无滑移条件。

液氧喷嘴采用离散相模型，给定液氧的流量和喷雾角，平均液滴直径为40 μm，液滴喷射合速度为43.2 m/s。根据喷雾角不同、喷雾角不均匀和喷雾液膜缺失等不同状态设置了6个不同工况，不同工况的液滴分布设置如表1所示，不同工况之间除喷雾角和液滴分布不同外，其余边界条件，如氢氧流量、出口压力、温度等，均保持一致。

表1 不同工况喷雾角设置Fig.1 Setting of Spray Angle in Different Cases

3 仿真结果及分析

3.1 不同喷雾角对喷注面的影响

燃气发生器喷注器依靠中心液氧喷嘴喷雾形成的低温保护膜冷却，当液氧喷嘴喷雾角发生变化时，会造成燃烧室内流场发生变化，可能会导致对喷注面的冷却保护不足，从而导致喷注面烧蚀。为研究不同喷雾角状态下燃气发生器的燃烧流场以及对喷注面的影响，分别进行了喷雾角为90°、105°和130°的数值仿真计算，分别记为工况A、工况B和工况C。

图 4为仿真得到的不同喷雾角状态下对称面上温度分布情况。

由图4可知，当喷雾角发生变化时，燃气发生器内火焰结构基本不变，出口燃气平均温度分别为833.4 K、839.5 K、849.9 K，均与设计出口温度相当，仿真得到的燃烧室压力与设计室压也基本一致，喷雾角发生变化不会对燃气发生器整体性能造成影响。此外仿真结果也表明，本文所采用的数值仿真方法能够有效地模拟氢氧燃气发生器内的燃烧过程。

图4 对称面上温度分布示意Fig .4 Temperature Profile on Symmetrical Surface

续图4

从图4可以看出，由于液氧在喷注面附近雾化蒸发吸热，不同喷雾角状态下喷注器表面温度约为200 K，氧液膜均可在喷注器表面形成低温保护膜，3种状态下喷注面均不会被烧蚀。

仿真结果表明，当液氧喷雾液膜均匀时，喷雾角的变化不会造成喷注面烧蚀。

3.2 喷雾角不均匀对喷注面的影响

液氧喷嘴喷雾角均匀时可对喷注器表面形成有效保护。而当喷雾角不均匀时，即喷雾角局部偏小或偏大时，液氧喷雾形成的保护膜会出现不均匀现象，有可能会在不均匀区域造成冷却不足而导致喷注面烧蚀。为研究喷雾角局部偏小或偏大对喷注面的影响，在喷雾角为 105°的基础上进行了局部 90°和局部130°数值仿真计算，分别记为工况D和工况E。

仿真得到的工况B、工况D和工况E预混室内的温度分布及流线如图5所示。

图5 预混室内喷雾角不均匀面温度分布及流线示意Fig.5 Temperature Distribution and Streamline of the Premixed Chamber on Non-uniform Spray Angle Surface

续图5

由图5a可知，当喷雾角为105°且喷雾均匀时，预混室内在喷注面附近存在回流区，在氧喷嘴喷雾的作用下，低温氧沿着喷注面向氢喷嘴方向流动，起到保护喷注面的作用；在氢喷嘴附近与超临界氢掺混后燃烧，产生的高温燃气在轴线附近向氧喷嘴方向回流，起到加速液氧蒸发的作用。

由图5b和图5c可知，当局部区域喷雾角为90°时，喷注面上不均匀区域平均温度约为200 K，低温氧能够有效保护喷注面。当局部区域喷雾角为130°时，喷注面上该区域平均温度为435 K，边缘局部温度可达2300 K，低温氧不能对喷注面边缘起到保护作用。

通过对比预混室内温度分布可以看出，当局部喷雾角为130°时，在喷注面的边缘区域出现了高温燃气逆流，使得低温气体不能保护整个喷注面，在出现逆流的区域出现高温区，导致该区域可能会出现烧蚀。

3.3 喷雾液膜局部缺失对喷注面的影响

喷雾液膜局部缺失时直接造成喷注面上的保护膜缺失，在液膜缺失区域可能会造成喷注面烧蚀。选取工况B和工况F为液膜完整与局部缺失两种状态对比计算。图6为工况F液膜缺失面预混室内温度分布及流线。

由图 6可知，液膜缺失区域低温氧无法有效覆盖整个喷注面，高温燃气沿喷注面向上逆流，与低温氧在喷注面中间部位相遇，喷注面上液膜缺失区域平均温度达到733 K，局部温度达到3000 K以上，氧液膜失去了对喷注面的保护作用，从而在高温区域导致喷注器烧蚀。工况F仿真得到的烧蚀区域与试车后的烧蚀区域基本一致。

图6 预混室内液膜缺失面温度分布及流线示意（工况F）Fig.6 Temperature Distribution and Streamline of the Premixed Chamber on the Missing Surface of Liquid Film (Case F)

4 试验验证

将出现烧蚀与未烧蚀燃气发生器分别剖切后，对喷注器进行了喷雾试验，试验结果如图7所示。图7a为未烧蚀的喷注器喷雾试验，可以看出喷雾液膜均匀。根据仿真结果，均匀的液膜能够对喷注器表面形成有效保护。而烧蚀的喷注器喷雾液膜有两道明显的液丝，液丝中间存在一处液膜缺失区域，如图7b所示。由仿真结果可知，喷雾液膜缺失区域无法为喷注器提供有效的保护，在此区域回流的高温燃气对喷注器表面造成烧蚀。

通过喷注器喷雾对比试验进一步验证了数值仿真结果，数值仿真结果与试验验证结果为喷注器的改进提供了指导。