海平面静态时一次火箭沿流道放置位置对RBCC性能的影响

吴亚可, 徐卫昌, 黄 威, 胡宗纯, 刘晓伟, 石 磊

(1 火箭军工程大学士官学院, 山东青州 262500; 2 中国航天科技集团公司西安航天动力研究所, 西安 710100; 3 西北工业大学, 西安 710072)

0 引言

拥有低速或者零速启动能力是RBCC(rocket based combined cycle)最显著的特色和优势。海平面静态时,一次火箭沿流道的安装位置决定了抽吸引射的位置和流道中二次燃烧放热位置,因此探究其安装位置变化带来的影响至关重要。

从公开发表的文献资料看,当前关于一次火箭对RBCC零速引射性能影响的研究工作,基本上都是基于定几何发动机构型,大多仅考察了一次火箭工作状态变化对零速引射性能的影响[1-7]。文献[5]虽然利用搭建的地面火箭引射冷流试验系统,研究了火箭引射发动机进气系统的调节特性,但受限于当时的试验条件,试验中仅利用出口堵塞的方法模拟燃烧加热,其进气系统也仅仅是矩形等直段,并不是真正意义的进气道构型,因此不能够全面深入考量海平面静态时一次火箭的工作对RBCC性能的影响。

因此,文中基于设计点为亚燃模态的RBCC进气道/燃烧室一体化构型,开展了进气道/燃烧室一体化数值模拟工作,全面分析海平面静态时一次火箭沿流道位置的变化对RBCC引射性能的影响。

1 研究采用的RBCC构型

文中研究采用的RBCC构型(如图1所示)为典型的侧壁凸台式构型(参考文献[7-10]设计构型的改进型),其巧妙地利用了进气道后、燃烧室入口前的突扩台阶,将一次火箭置于流道之中,计算区域选择为单模块的四分之一。一次火箭沿流道的位置变化如图2所示,进气道上唇口位于X=75.44 mm,一次火箭沿流道位置分别为X=408 mm、X=558 mm、X=708 mm和X=858 mm。

文中研究利用化学平衡法(计算软件为NASA开发的CEA软件[11-12])对采用气氧/酒精(无水乙醇)组合的一次火箭进行了热力计算。在氧燃比=1.2时,燃烧室温度(2 912 K)可控,且又有足够的CO可供二次燃烧使用,因此选择的一次火箭工况为氧燃比为1.2,每台一次火箭的流量调节范围为0.05～0.25 kg/s,燃气组分的质量分数:CO为43%、H2O为35%、CO2为19%、H2为3%(H2组分为H、H2和OH折算而来)。

2 数值模拟算法及校验

文中的数值模拟工作,利用在连续相控制方程(包含质量、动量、能量和组分输运方程)中加入化学反应源项的方法来描述流道内的燃烧流动;利用SSTk-ω湍流模型来保证对自由剪切层及分离流动具有较高的模拟精度;采用通用有限速率模型来模拟化学反应,反应速率是以源项的形式出现在组分输运方程中,对反应速率的计算采用的是层流有限速率模型;利用雷诺时间平均(reynolds-averaged navier-stokes,RANS)的方法对控制方程进行求解,以方便快速评估RBCC在零速引射时的性能[7,10]。

表1给出了文中计算构型的边界条件。图3显示了网格划分情况,本研究选取计算区域内的网格数约75万(一个发动机模块的四分之一,当一次火箭位置前置时,网格数量会有所增加),尽管此网格数相对稀疏,但依然对壁面、突扩区域和火箭射流边界进行了网格加密处理。

表1 本研究计算构型各种边界对应的输入参数

由图3(e)可知,距离壁面最近的第一层网格均位于对数层内(30

文中基于德国HerrMann等人的进气道相关数据[13]进行了数值模拟,用以校验算法。图4给出了模拟对比结果,可以发现,模拟结果和实验结果有很高的吻合度。此外,还选择了典型的RBCC直连试验数据[10]用于算法的校验。通过图5的压力曲线可见,本研究CFD获得的压力曲线与实验测得的流道压力曲线有很高的吻合度。这些都说明所用的数值模拟算法可信、正确。

3 计算结果分析

下面从进气性能、推力及比冲性能分析一次火箭位置后移带来的影响。分析进气量和内推力时,均除以一次火箭位于X=408 mm、流量为0.05 kg/s时对应的引入空气量和内推力进行对比分析,而分析比冲时,则与气氧/酒精一次火箭的海平面比冲(约为260 s)进行比较。

3.1 一次火箭位置变化对进气系统的影响

图6显示了海平面静态,在不同的一次火箭安装位置,引入空气量随一次火箭流量增加的变化情况,可以看出以下规律:

1)对于不同的一次火箭安装位置,引入空气量随一次火箭流量增加的变化规律不一致。当一次火箭位于X=558 mm和708 mm时,随着一次火箭流量的增加,引入空气量呈现出先增大后减小的趋势;当一次火箭位于X=408 mm时,对应的引入空气量则随一次火箭流量的增加而一直减少;当一次火箭位于X=858 mm时,引入空气量则随一次火箭流量的增加而一直增大。

2)对于相同的一次火箭流量,引入空气量随一次火箭位置后移的变化规律不一致。当一次火箭流量为0.05 kg/s、0.10 kg/s和0.15 kg/s时,对应的引入空气量均随一次火箭位置后移呈现出先增大后减小的趋势;而当一次火箭流量为0.2 kg/s和0.25 kg/s时,对应的引入空气量均随一次火箭位置后移呈现出一直增大的趋势。

通过图7至图10中RBCC流道内的压力曲线可以解释上述规律。海平面静态引射时,外界大气在一次火箭抽吸引射的作用下流入进气道,因为是亚音速流动,压力越低,流速越快,对应的引入空气量就越多。

从图7可以看出,当一次火箭位于X=408 mm位置时,随着一次火箭流量的增加,进气道内的压力水平不断升高,也就是说,引入空气量不断降低。而从图8和图9则可以看出当一次火箭位于X=558 mm和708 mm时,随着一次火箭流量的增加,进气道内的压力水平先降低至对应的最低水平,然后再升高,刚好与引入空气量随着一次火箭流量的增加而呈现出的先增大后减小的趋势相对应。从图10可以看出当一次火箭位于X=858 mm时,随着一次火箭流量的增加,进气道内的压力水平一直降低,刚好与此时的引入空气量随着一次火箭流量增加而增大的趋势相对应。

综上可知,一次火箭沿流道后移对进气系统的影响比较复杂,且与一次火箭流量的大小高度相关。

3.2 一次火箭位置变化对推力和比冲的影响

图11和图12分别显示了海平面静态,一次火箭安装位置变化时,RBCC内推力和比冲随一次火箭流量增加的变化情况,从图可以看出以下规律:

1)在所有的一次火箭安装位置,随着一次火箭流量的增加,RBCC的内推力不断增加,而比冲则不断降低。

2)当一次火箭流量保持不变时,随着一次火箭位置后移,推力和比冲均呈现出逐渐增加的趋势。

3)从图12还可以看出,当一次火箭后移时,可以保证RBCC的比冲尽可能的大于一次火箭的海平面比冲,使RBCC获得推力增益的工作范围扩大,达到整体性能最优。

4 结论

通过文中的研究分析,可以看出,一次火箭沿流道放置位置对RBCC零速引射性能的影响比较复杂:

1)就进气系统而言,随着一次火箭位置后移,对应的引入空气量随一次火箭流量增加而呈现出的整体变化规律不一致;在不同的一次火箭流量下,对应的引入空气量随一次火箭位置后移而呈现出的整体变化规律也不一致。也就是说,一次火箭沿流道后移对进气系统的影响比较复杂,且与一次火箭流量的大小高度相关。

2)就推力和比冲性能而言,随着一次火箭位置后移,不同的一次火箭流量下,对应推力和比冲的变化趋势高度一致,均呈现出逐渐增加的趋势。也就是说,一次火箭沿流道后移对RBCC推力和比冲性能的影响一直比较积极。

3)综合考虑,海平面静态,当RBCC为了获得较高的推力水平而需要一次火箭大流量工作时,一次火

箭的位置应尽可能沿流道后移,以保证RBCC的整体性能最优。

参考文献:

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