边界层控制方法降低喷管喉衬烧蚀影响因素研究①

王立武，陈林泉，刘勇琼，武 渊

(1.中国航天科技集团公司四院四十一所，西安 710025；2.西安航天复合材料研究所，西安 710025)



边界层控制方法降低喷管喉衬烧蚀影响因素研究①

王立武1，陈林泉1，刘勇琼2，武 渊1

(1.中国航天科技集团公司四院四十一所，西安 710025；2.西安航天复合材料研究所，西安 710025)

引入一种边界层控制方法，通过在喷管内表面形成一层低温富燃边界层，降低喷管内表面的温度和近壁面处氧化组分的浓度。采用二维轴对称模型对边界层控制方法进行了参变量研究，模拟了低温富燃气体的喷射质量、喷射温度、喷射位置和喷射角度对该方法的影响规律，比较了不同参变量对降低喷管内表面温度和近壁面处氧化组分浓度的效果，证明了边界层控制方法降低喷管喉衬烧蚀影响因素的有效性。

边界层控制方法；降低；喉衬烧蚀；影响因素

0 引言

喷管喉衬烧蚀主要分为热化学烧蚀和机械剥蚀，其中热化学烧蚀起主导作用，在喷管喉部更是如此[1]。尤其对于使用高能推进剂的发动机，4 000 K以上的高温会使C/C喉衬的烧蚀率显著增大，如何降低喷管喉衬的烧蚀率亟待解决。降低喷管喉衬烧蚀通常有3种不同的方法：(1)提高喷管喉衬材料的热化学耐烧蚀性能；(2)改进固体推进剂配方；(3)控制喷管的边界层。另外，也可对上述方法进行组合使用[2]。

在以前的研究中，降低喉衬烧蚀的研究主要集中在提高喉衬材料的耐烧蚀性能，通过不断研究新材料来满足这一要求。但其研究难度较大、研制周期相对较长。因此，研究者也在不断探索其它途径来降低喉衬的烧蚀。2001年的美国专利文献中，提到了几种降低喉衬烧蚀的方法，包括使用装药产生缓冲边界层降低喷管烧蚀、改进喷管型面设计减少粒子对壁面的碰撞、喷管使用耐烧蚀防护层等[3-5]。

本文从创新方法入手，在保证发动机热防护结构低烧蚀、轻质量的条件下，引入一种边界层控制方法[6]，不仅可降低喷管喉衬的温度，而且能减少近壁面处氧化组分的浓度，从而降低喷管的烧蚀率。文中阐明了该方法降低喷管烧蚀的机理，由于目前还未对边界层控制方法的喷射条件进行系统研究，故本文着重研究了低温富燃气体的喷射质量、喷射温度、喷射距离和喷射角度4个参变量对该方法的影响，获得了这些参变量对烧蚀影响因素的影响规律，为边界层控制方法的最优化提供了理论依据。

1 边界层控制方法介绍

图1为固体火箭发动机边界层控制方法的示意图。该系统采用4个带中心孔的药柱作为烧蚀材料，将一小部分推进剂燃气引入烧蚀材料颗粒，燃气将能量传给烧蚀材料。该材料的高温分解温度相对较低，引入的燃气将能量传递给烧蚀颗粒使其热解，引入的燃气与热解的烧蚀颗粒气体之间混合并发生化学反应，生成相对低温的富燃气体混合物，低温富燃气体在压力梯度驱动下,喷射到喷管喉部稍上游区域[6]。

图1 边界层控制方法示意图Fig.1 Schematic diagram of nozzle boundary-layer control system

采用边界层控制方法后，在发动机的工作过程中，由于低温富燃气体喷入到喷管喉部稍上游区域，根据气体流动特性，低温富燃气体将会贴近喷管内表面流动，形成一层低温富燃边界层。由于该边界层的存在，燃烧室产生的高温燃气将由喷管中心流出，不会与喷管壁面直接接触，不仅可有效地降低喷管内表面的温度，而且引入的富燃气体将清除氧化组分，能减少喉部附近氧化组分的浓度，从而降低喷管的烧蚀率。

与其他通过控制喷管边界层来降低喉衬烧蚀的方法相比，该方法能同时降低近壁面氧化组分的浓度和喉衬表面的温度，而且低温富燃气体可尽量靠近喉部喷射，从而更好地降低喉衬烧蚀率。

2 理论模型和边界条件

为了对边界层控制方法进行数值研究，建立了简化的数值模型，图2为采用边界层控制方法的喷管二维示意图。计算时，采用环喷射方式进行二维轴对称模拟，环喷射是三维点喷射时喷射孔十分密集的情况，低温富燃气体的喷射宽度1 mm，气体在喷管喉部上游区域，沿着喷管壁面呈环状向喷管内部喷射。文中模拟的是小型发动机喷管，并采用文献[7]中的推进剂组分，喷管入口温度T0=3 000 K，喷管入口压力p0=6.9 MPa。

计算时，在喷管壁面处进行加密处理，并对计算模型的网格进行网格无关性验证，基于N-S方程构建计算模型，应用FLUENT软件中的k-ε模型进行数值模拟。不考虑喷管壁面与燃气之间的化学反应，并假设低温气体与燃气之间不发生化学反应。

图2 有冷流喷射的喷管示意图Fig.2 Schematic diagram of rocket nozzle with flow injection

3 计算结果及分析

图3、图4分别为喷射质量5%、喷射温度1 500 K、喷射距离0.5、喷射角度90°时，喷管的温度场分布及氧化组分在喉部入口的径向分布。从图3可看出，采用NBCLS后，会在喷射口下游形成一层低温边界层，将喷管喉部入口的温度从2 801.01 K下降到2 229.08 K，有效地降低了喷管喉部表面的温度。从图4可看出，采用NBLCS后，在喷管近壁面处，H2O的质量分数从0.29下降到0.220；CO2的质量分数从0.22下降到0.162；OH的质量分数从0.01下降到0.007。因此，NBLCS可有效地降低喷管近壁面处氧化组分的浓度。

下面分别对低温富燃气体的喷射质量、喷射温度、喷射位置、喷射角度进行参变量分析，研究这些参变量对喷管近壁面处温度和氧化组分浓度的影响。其中，喷射质量为喷射流量与喷管入口流量之比；喷射位置为喷射口到喉部的距离与喉径之比，为无因次量，后文称喷射距离；喷射角度为喷射方向与喷射口壁面切向的夹角。采用NBLCS后， H2O、CO2和OH浓度的变化趋势是相同的。因此，下面以喷管喉部入口处H2O为例，分析参变量对喷管近壁面处氧化组分浓度的影响。

3.1 喷射质量对烧蚀影响因素的影响

图5、图6分别为喷射温度1 500 K、喷射距离0.5、喷射角度90°时，不同喷射质量下，喷管壁面处的温度曲线和喷管喉部H2O的径向分布。从图5和图6可看出，在2%、5%、10%的喷射质量下，喷管喉部前端的壁面温度分别下降了382.08、571.93、926.7 K，喷管喉部后端的壁面温度分别下降了133.49、249.67、487.9 K；喷管喉部前端壁面的氧化组分浓度分别下降0.046、0.070、0.126。随着喷射质量的增大，喷射口下游区域喷管壁面的温度随之下降，喷管近壁面处H2O的质量分数随之下降，下降幅度皆随之增大。

(a)无冷流喷射

(b)有冷流喷射

图4 不同氧化组分在喷管喉部的径向分布Fig.4 Radial distribution of species at nozzle throat

较大的喷射质量更有利于降低喷管壁面的温度和近壁面氧化组分的浓度，但随着喷射质量的增加，会增大发动机携带的消极质量，而且会降低发动机的比冲。所以，要综合权衡，以便合理选择该变量。喷射质量为2%～5%时，能有效降低烧蚀影响因素。此时，文中发动机比冲约分别下降0.2%～ 0.5%，故选择2%～5%的喷射质量为宜。

3.2 喷射温度对烧蚀影响因素的影响

图7、图8分别为喷射质量5%、喷射距离0.5、喷射角度90°时，不同喷射温度下，喷管壁面处的温度曲线和喷管喉部H2O的径向分布。从图7和图8可看出，在1 000、1 250、1 500、1 800 K的喷射温度下，喉部前端的壁面温度分别下降777.85、672.96、538.06、455.23 K，喉部后端的壁面温度分别下降332.61、290.59、249.67、201.51 K；喷管喉部前端壁面的氧化组分浓度分别下降了0.073、0.071、0.071、0.069。随着喷射温度的下降，降低喷射口下游区域喷管壁面温度的效果更好，但效果不太明显，喷管近壁面处H2O的质量分数基本不变。

较小的喷射温度更有利于降低喷管壁面的温度，但影响效果不显著，对减少近壁面处氧化组分的浓度基本没有影响。考虑到较低的喷射温度会降低发动机的比冲，故本次模拟选择1 500 K的喷射温度。

图5 不同喷射质量下喷管壁面处的温度分布Fig.5 Nozzle surface temperature under different injection mass

图6 不同喷射质量下H2O在喷管喉部的径向分布Fig.6 Radial distribution of H2O at nozzle throat under different injection mass

3.3 喷射位置对烧蚀影响因素的影响

图9、图10分别为喷射质量5%、喷射温度1 500 K、喷射角度90°时，不同喷射距离下，喷管壁面处的温度曲线和喷管喉部H2O的径向分布。从图9和图10可看出，在0.1、0.2、0.5、1.0的喷射距离下，喷管喉部前端的壁面温度分别下降了1 190.73、 1 042.74、571.93、233.2 K，喷管喉部后端的壁面温度分别下降了413.12、357.5、249.67、169.35 K；喷管喉部前端壁面的氧化组分浓度分别下降了0.198、0.160、0.070、0.053。随着喷射距离的下降，降低喷射口下游区域喷管壁面温度的效果更好，降低喷管近壁面处H2O质量分数的效果也更好。

较小的喷射距离更有利于降低喷管壁面的温度和近壁面处氧化组分的浓度，且喷射距离越小越好。

图7 不同喷射温度下喷管壁面处的温度曲线Fig.7 Nozzle surface temperature under different injection temperature

图8 不同喷射温度下H2O在喷管喉部的径向分布Fig.8 Radial distribution of H2O at nozzle throat under different injection temperature

3.4 喷射角度对烧蚀影响因素的影响

图11、图12分别为喷射质量5%、喷射温度1 500 K、喷射距离0.5时，不同喷射角度下，喷管壁面处的温度曲线和喷管喉部H2O的径向分布。从图11和图12可看出，在30°、45°、60°、90°的喷射角度下，喷管喉部前端的壁面温度分别下降了524.66、545.56、556.67、571.93 K，喷管喉部后端的壁面温度分别下降了229.89、237.85、242.63、249.67 K；喷管喉部前端壁面的氧化组分浓度分别下降了0.063、0.066、0.069、0.070。随着喷射角度的增加，降低喷管壁面温度的效果更好，降低喷管近壁面处H2O质量分数的效果更好，但效果不明显。

较大的喷射角度更有利于降低喷管壁面温度和近壁面处氧化组分浓度，但效果不明显。

图9 不同喷射距离下喷管壁面处的温度分布Fig.9 Nozzle surface temperature under different injection geometric orientation

图10 不同喷射位置下H2O在喷管喉部的径向分布Fig.10 Radial distribution of H2O at nozzle throat under different injection geometric orientation

图11 不同喷射角度下喷管壁面处的温度分布Fig.11 Nozzle surface temperature under different injection angle

3.5 边界层控制方法效果分析

喷管壁面的温度和近壁面处氧化组分的浓度是决定喷管烧蚀的2个关键因素[8]。综上分析可知，采用边界层控制方法后，不仅可降低喷管喉衬表面的温度，而且能减少喷管近壁面处氧化组分的浓度，从而有效地降低喷管的烧蚀率。但发动机的性能会发生一些变化，假设扩张比不发生变化，随着总温的降低，发动机的比冲Is随之下降。为了分析发动机的比冲随着低温富燃气体喷射质量的变化，对喷射质量为2%、5%、10%，低温气体比冲下降为5%、10%、15%、20%时的发动机比冲作了加权平均，获得了随着喷射质量变化和低温气体比冲下降时发动机比冲Is下降的百分数，结果如表1所示。从表1中可看出，喷射质量为2%、低温气体比冲下降为5%时，发动机比冲Is下降0.1%；喷射质量为10%、低温气体比冲下降为20%时，发动机比冲Is下降2.0%。

由于喷射质量2%～5%为宜，低温气体比冲下降在10%以内。从表1可看出，发动机比冲的下降在0.5%以内。所以，边界层控制方法不会对比冲产生很大影响，但可有效降低喉衬烧蚀的影响因素。

图12 不同喷射角度下H2O在喷管喉部的径向分布Fig.12 Radial distribution of H2O at nozzle throat under different injection angle

表1 平均比冲随低温富燃气体属性的变化Table 1 Average impulse change with injection gases property

4 结论

(1)较大的喷射质量更有利于降低喷管壁面的温度和近壁面氧化组分的浓度，但太大的喷射质量会增大发动机携带的消极质量，而且会降低发动机的比冲。所以，要综合权衡该变量。对于本次模拟，2%～5%的喷射质量为宜。

(2)较小的喷射温度更有利于降低喷管壁面的温度，但对减少近壁面处氧化组分的浓度基本没有影响，而较低的喷射温度会降低发动机的比冲。

(3)较小的喷射距离更有利于降低喷管壁面的温度和近壁面处氧化组分的浓度，且喷射距离越小越好。

(4)随着喷射角度的增加，降低喷管壁面温度和近壁面处氧化组分浓度的效果皆变得更好，但效果不明显。

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[8] Thakre P,Yang V.Chemical Erosion of carbon- carbon/graphite nozzles in solid-propellant rocket motors[J].Journal of Propulsion and Power,2008,24(4).

(编辑：崔贤彬)

Study on nozzle boundary-layer control system for mitigating influence factors of nozzle throat erosion

WANG Li-wu1,CHEN Lin-quan1,LIU Yong-qiong2,WU Yuan1

(1.The 41st Institute of the Fourth Institute of CASC，Xi'an 710025，China；2.Xi'an Aerospace Composites Material Institute，Xi'an 710025，China)

A nozzle boundary-layer control system was introduced. This design can reduce the temperature of nozzle throat surface and the mass fractions of the oxidizing species in the combustion products due to the formation of a low-temperature fuel-rich boundary-layer. A parametric study of the effect of injection angle,geometric orientation,temperature and mass on the nozzle boundary-layer system was carried out using an axisymmetric model. A comparison of the decrease of nozzle surface temperature and concentrations of oxidizing species near nozzle surface under different parametric conditions was conducted. The change regulation of nozzle surface temperature and concentrations of oxidizing species near nozzle surface under different parametric conditions was elaborated. Finally,the effectiveness of nozzle boundary-layer control system on mitigating the influence factors of throat erosion was demonstrated.

boundary-layer control system;decrease;nozzle throat erosion;influence factors

2014-04-17；

：2014-06-04。

国家自然科学基金(51376166)。

王立武(1989—)，男，硕士生，研究方向为边界层控制方法降低喉衬烧蚀研究。E-mail:wangliwu41@126.com

V435

A

1006-2793(2015)01-0045-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.008