姿轨控发动机开机充填和关机传热特性

黄 舰，林庆国

(上海空间推进研究所 上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112)

0 引言

双组元姿轨控发动机广泛应用于卫星、飞船、深空探测器等飞行器，其工作性能直接影响飞行器寿命、控制精度和安全性等。其中，开关机过程是影响发动机响应特性和可靠性的重要过程。例如真空环境下，发动机关机后燃烧室余热一部分热返浸到发动机喷注器及阀门，结构温度升高可引发关机后的推进剂返腔现象，再启动时发生预点火引起爆燃或急骤流动。某型号火箭飞行试验过程中，也出现过发动机喷注器爆燃所导致的喷注面板脱落故障。

国内外对双组元姿轨控发动机进行了大量研究，其中稳态仿真结果与试验数据较吻合，但瞬态仿真结果与试验数据仍有差异。例如，Binder等基于RL10建立了瞬态模型，当进口状态、初始温度等条件在一定范围变动时，该模型能够较准确地预测发动机的瞬态特性。文献[8-9]采用推进系统库ESPSS开发的瞬态模型在发动机建压过程模拟方面还需优化改进。Sassnick等采用DLR软件对火箭发动机关机过程进行仿真，无法准确模拟点火过程。刘昆等开发的瞬态过程仿真软件LRETMMSS只适用于分级燃烧循环发动机系统。文献[12-15]建立通用仿真软件模拟发动机瞬态过程，但因为发动机内部流道结构复杂，所以通用仿真软件难以对发动机启动过程不均匀喷注特性进行准确数值模拟。杨俊等提出判别发动机启动充填完成的两种方法，其中介质喷出法获得的充填时间较曲率水平法更符合实际情况。此外仿真研究还指出，发动机喷注器环形流道数值模拟需要考虑弯管效应，重整化群-模型比标准-模型更适合计算弯管流动特性。

在冷流实验研究方面，Gauffre等通过实验观察到了喷注器内水的充填和泄流过程。李鳌等采用发光二极管与高速相机，通过监测发动机出口液体流出情况来间接测量开关机时间。

为了深入研究姿轨控发动机的开关机特性，本文设计了透明喷注器试件和冷流实验系统，开展冷流实验测量的可视化研究，获得了清晰的喷注器内部流动形态，对发动机开机充填和关机传热特性进行数值模拟，并对模拟结果进行了冷流实验和热试验证。通过地面状态流动过程的仿真分析，评估了不同安装方向对发动机开机充填的影响。最后对真空状态下采用真实推进剂的发动机关机过程进行仿真，分析了发动机关机后的推进剂蒸气返腔现象，对于探索姿轨控发动机开关机过程中的流动现象具有工程实用价值。

1 冷流实验系统

图1 实验系统工作原理图

喷注器采用透明的有机玻璃制作，包括法兰、分配板、喷注芯体、过渡段等，如图2所示。

图2 实验零件实物图

实物图及剖面示意图见图3。透明喷注器试验件与电磁气动阀通过透明过渡段连接。由于试验件内部流道结构复杂，平视观察时内部流道重叠，难以获取喷注器内部流动情况，而采用透明过渡段可以通过俯视来进行观测，能够较好地获取内部流动情况。过渡段内包含两个通道，分别与阀门和喷注器法兰上的模拟氧化剂路和模拟燃料路对接，通道长均为40 mm。过渡段上加工有两圈凹槽，用于放置O形密封圈，保证对接位置密封。

图3 试验件实物图及剖面结构示意图

2 数值计算模型和方法

2.1 数学模型

因为发动机开机过程中，其进口处雷诺数≈10，为湍流流动，另外在开机时推进剂充填喷注器流道可能出现瞬时压强低于饱和压强或者关机时热返浸引起喷注器流道内残余推进剂温度升高，都会引起推进剂相变，所以在数值模拟中考虑湍流、两相流及相变模型。

2.1.1 湍流模型

因为重整化群-模型比标准-模型更适合计算弯管内的流动特性，并且能较好地对瞬态流动进行模拟，所以湍流模型采用重整化群-模型。

重整化群-模型中，在大尺度上应用修正后的黏度项来体现小尺度的影响，其方程和方程为

(1)

(2)

式中：为流体密度；为单位时间；和分别为湍流动能和湍流耗散率；和分别为湍流动能和湍流耗散率有效普朗特数的倒数；和为流体速度；为名义黏性系数；和分别为由层流速度梯度和浮力产生的湍流动能；为在可压缩流中扩散引起的波动；1、2、3为常量；为附加项；和为源项。

2.1.2 两相流模型

两相流采用流体体积(VOF)模型，其中各流体共用一个动量方程，计算中每个单元内都记录各相流体所占体积分数。每增加一相，就引进一个变量，称为单元内该相的体积分数。每个单元中，所有相的体积分数和为1。

通过求解某一相或多相体积分数连续方程来跟踪相间界面，第相体积分数公式为

(3)

式中：为相向相的质量传递速率；为相向相的质量传递速率；为源项。

2.1.3 气液相变模型

对多相流动而言，相变为不同相间质量传递的一种方式。当推进剂发生蒸发或凝结时，需要考虑相变模型。蒸发—凝结过程的质量传递由蒸气输运方程确定，其表达式为

(4)

式中：下标v和l分别为蒸气相和液相；和分别为蒸发和凝结过程中对应的质量传递速率。

当液相温度高于饱和温度时，蒸发质量传递速率表达式为

(5)

当气相温度低于饱和温度时，凝结质量传递速率表达式为

(6)

式中为蒸发或凝结系数。

2.2 计算区域及边界条件

本文分别对发动机起动的推进剂充填、稳态工作、关机后的推进剂泄流过程进行模拟，各阶段模拟采用的模型和网格如下。

冷流实验计算模型包括氧化剂流道模型和燃料流道模型，如图4所示。

图4 实验模型仿真计算区域及网格

根据冷态实验条件对相应边界条件进行设置，多相流模型包含两相，主相为空气，次相为水。

流体计算模型如图5所示，将发动机氧化剂流道、燃料流道和下游燃烧室整合在一起，用于仿真发动机真空状态开关机流动特性。根据高模热试车条件对相应边界条件进行设置,多相流模型包含三相，主相为氮气，次相为液态和气态的四氧化二氮和一甲基肼。

图5 真实模型仿真计算区域及网格

为了模拟发动机瞬态传热特性，建立了包含发动机结构的流固耦合计算模型，如图5所示。其中固体结构由电磁气动阀、喷注器和发动机喷管组成；流体部分包括氧化剂流道、燃料流道以及燃烧室部分流体域，流体介质为四氧化二氮和一甲基肼。发动机开机过程氧阀和燃阀进口设置流量分别为0.368 kg/s和0.223 kg/s，对应着稳态工作时的额定流量；出口均设置为压力出口，混合项静压根据高空试车燃烧室压力数据进行设置。

2.3 网格无关性分析

表1 不同计算模型的合适网格数目

图6 压力分布图

3 仿真分析与实验研究

3.1 瞬态充填过程计算方法验证

图7为氧化剂路充填过程的仿真与实验对比图，可以看出仿真与实验结果接近。实验过程中，在开机后7 ms可以观测到头部喷射出两条水柱，而仿真中开机后6 ms有两个喷注孔流出与之对应验证了仿真计算方法的准确性。由于法兰的遮挡，实验中观测到的两条水柱出现时间稍晚于对应的喷注孔流出水的时刻。

图7 充填过程的仿真(左)与实验(右)比对图

3.2 地面状态安装方向对充填流动的影响分析

发动机开展地面实验时，重力作用可能会引起不同安装方向的流动差异。为此，以氧化剂流道为例，仿真了不同安装方向下开机过程氧化剂流道的流动情况；安装方向分别为竖直向上安装状态、水平安装状态和竖直向下安装状态。仿真表明，不同安装方向下发动机氧化剂路充填完成时刻基本相同(竖直向上安装时充填3.5 ms，水平安装时充填3.6 ms，竖直向下安装时充填3.5 ms)，充填时间相差均不超过0.1 ms；这说明发动机的安装方向对氧化剂路充填的影响较小。

3.3 地面状态充填流动过程动态分析

图8 发动机氧化剂路充填动态示意图

3.4 关机后非稳态传热计算方法验证

热试车实验条件为模拟的真空环境，发动机主要工况参数氧化剂阀门和燃料阀门进口额定流量分别为0.368 kg/s和0.223 kg/s，焊缝温度和喷管喉部温度稳态值分别为1 000 K和1 200 K。根据高模热试车结果，将稳态工作状态作为关机的初始状态进行关机过程仿真计算，图9为关机后140 s内发动机喷注器温度变化曲线的仿真与实验结果。

图9 关机后发动机喷注器温度变化曲线

3.5 真空状态关机后推进剂泄流过程

真空状态下发动机关机后，考虑到背压过低，喷注器流道内的残余推进剂会发生相变，并通过蒸发的形式向外排出。本文计算了氧化剂和燃料单独存在时的泄流过程。

图10 泄流过程气态氧化剂分布图

图11 泄流过程气态燃料分布图

仿真结果表明，氧化剂路和燃料路开关机过程均出现了蒸气返腔现象。燃料相比氧化剂较难蒸发，同时燃料蒸气相比氧化剂蒸气更容易出现返腔现象，内圈位置相比外圈更容易出现返腔现象。出现返腔现象后部分返腔蒸气会发生凝结，燃料蒸气主要凝结在氧化剂路中心区集液腔内。由于燃料蒸发缓慢，实际氧化剂蒸气并不会向燃料腔道流动。在设计发动机工作程序时，需要考虑真空环境下推进剂蒸发引起的返腔现象，从而控制发动机开关机过程返腔的蒸气量以及凝结量，保证发动机开关机安全可靠工作。

4 结论

本文通过对姿轨控发动机开机充填和关机传热特性的研究，得出以下结论。

1)地面状态下安装方向对发动机开机充填影响较小。发动机开机流动过程中，不同安装方向下喷注器氧化剂路充填完成时刻基本相同，充填时间相差均不超过0.1 ms。

2)分析瞬态流动仿真结果，给出了发动机喷注器流道的改进方向，可适当缩小外圈第二层集液环容积，使得两层集液环充填时间接近并且喷注孔推进剂流出时间较一致，从而提高发动机响应速度。

3)通过考虑低压相变过程，模拟得到了推进剂在关机过程中出现了返腔现象，燃料蒸气相比氧化剂蒸气更容易出现返腔现象，内圈位置相比外圈更容易出现返腔现象，并且发现了燃料蒸气主要凝结在氧化剂路中心区集液腔内的现象，为发动机故障评判提供了参考。在设计发动机工作程序时，需要考虑真空环境下推进剂蒸发引起的返腔现象，从而控制发动机开关机过程返腔的蒸气量以及凝结量，保证发动机开关机安全可靠工作。