氢氧火炬式电点火器燃烧流动分析

杨进慧，王朝晖，左安军，丁兆波，孙纪国

（北京航天动力研究所，北京，100076）

0 引 言

21世纪以来，运载器的可重复使用、大推力已成为航天领域新的发展趋势，对点火次数、点火能量、燃烧产物的洁净度等点火技术提出了新的要求。火炬式电点火器因点火能量高、易于多次启动、结构简单、便于维护等特点已广泛应用于氢氧火箭发动机，如美国的RL-10系列发动机、J2发动机、航天飞机主发动机[1～3]，欧洲的Vinci发动机，日本的LE系列发动机，俄罗斯的RD-0120发动机等。中国在氢氧火炬式电点火器方面已取得初步成果，但仍未应用，需要对其燃烧规律及热防护性能开展进一步的研究[4～8]。

火炬式电点火器工作在发动机的启动段，负责点燃进入燃烧装置内的推进剂，电点火器进口参数在启动段变化剧烈并且范围较大，电点火器内混合比分布极不均匀，燃烧流场规律复杂。一方面要确保电点火器点火可靠、燃烧稳定；另一方面要保证电点火器内壁与火花塞不被烧蚀。本文主要研究氢氧喷注距离、混合比、电点火器背压等因素对氢氧火炬式电点火器燃烧流动及热防护的影响。

1 数学物理模型

计算用点火器结构如图1所示。

图1 火炬点火器结构示意Fig.1 Torch Igniter Structure

由图1可知，液氧入口位于点火器头部，采用双股自击式直流喷嘴。液氢通过4个切向孔喷嘴进入点火器，一方面参加燃烧，另一方面形成液膜，保护火花塞和电点火器内壁不被烧蚀。火花塞位于氢氧喷嘴之间，且插入平面与氧喷注平面垂直，点火区的局部高混合比能够保证可靠点火[6]。

采用混合网格技术进行网格划分。为减少网格数量同时保证计算精度，氢氧喷嘴及附近结构采用四面体加密网格进行划分，身部采用三棱柱网格进行划分，如图2所示。氢氧入口设置为质量流量入口，燃气出口为压力出口，壁面为无滑移绝热壁面。采用真实气体非预混燃烧模型评估燃烧流动情况，湍流采用标准k-ε湍流模型封闭方程组，近壁区域用标准壁面函数法进行处理。

图2 点火器网格划分示意Fig.2 Igniter Mesh

2 模型准确性验证

选取氢氧火炬式电点火器两次故障点火工况进行仿真模型验证，两次试验所用点火器内径相同，工况参数如表1所示。由表1可知，工况1与工况2氢氧混合比接近，氢氧喷注距离和背压存在较大差别。

表1 氢氧火炬式电点火器试验参数Tab.1 Experiment Parameters of Hydrogen-oxygen Torch Igniter

工况1和工况2的氢质量百分比分布如图3所示。由图3可知，两股液氧撞击后在火花塞插入平面充分雾化，形成中心富氧区；液氢沿切向孔进入点火室后小部分向头部流去，与液氧掺混燃烧，大部分形成液膜沿壁面向下游流去。由于液膜存在切向速度，故而图3中液氢沿周向呈锯齿分布。

图3 电点火器壁面氢质量百分比分布云图Fig.3 Mass Fraction of H2Distribution on Igniter Wall

工况 1与工况 2电点火器壁面燃气温度分布如图4所示。由图4可知，工况1壁面燃气最高温度超过1800 K，且出现在火花塞插入部位附近，火花塞存在烧蚀风险，而氧喷注面附近燃气温度最高1300 K，能够保证氧喷嘴热防护要求，与试验中火花塞烧蚀相符；工况2靠近氧喷嘴区域燃烧增强，氢冷却效果变差，氧喷注面附近燃气温度增加，最高可达1800 K；火花塞插入部位的液氢膜均匀，不存在局部高温，故而火花塞能够满足热防护要求，与试验中氧喷嘴烧蚀相符。

图4 电点火器壁面燃气温度分布云图Fig.4 Gas Temperature Distribution on the Wall of Electric Igniter

通过工况1、工况2仿真分析与试验结果对比验证了仿真模型的可靠性，下面就不同设计参数对点火器内燃烧流动及热防护的影响规律进行研究。

3 仿真结果及分析

3.1 氢氧喷注距离对点火器燃烧流场的影响

研究选取了ratioL 为1.44，1.63和1.81 3种点火器氢氧喷注距离，点火器流量、背压均采用工况1。对比发现，随着氢氧喷注距离增大，点火器头部冷却氢流量减小（见图5），中头部壁面温度急剧升高（见图6），火花塞及氧喷注面局部最高温度从 1300 K可升至3000 K以上，但同时点火器身部冷却氢流量增加，燃烧面后移，故而身部壁面温度有所下降，从860 K降至570 K，相同点火器长度下出口燃气平均温度下降。

综上所述，相同工况下氢氧喷注距离越近，越有利于点火器头部及火花塞热防护，但点火器身部壁面温度升高，设计时需根据点火器及导火管长度综合权衡头部与身部的热防护效果选取氢氧喷注距离。

图5 不同氢氧喷注距离点火器壁面氢质量百分比分布云图Fig.5 Mass Fraction of H2Distribution on Igniter Wall with Different Hydrogen-oxygen Injection Distance

图6 不同氢氧喷注距离点火器火花塞插入平面壁面温度分布曲线Fig.6 Wall Temperature with Different Hydrogen-oxygen Injection Distance

3.2 氢氧混合比对点火器燃烧流场的影响

选取0.8，1.16和1.5 3种氢氧混合比研究其对点火器燃烧热防护的影响规律，如图7、图8所示，氢氧总流量、背压及点火器几何结构均采用工况1。

图7 不同氢氧混合比点火器壁面氢质量百分比分布云图Fig.7 Mass Fraction of H2Distribution on Igniter Wall with Different Mixture Ratio

由图7可知，随着混合比升高，点火器内燃烧更为充分，中心燃气温度升高，点火器头部和身部氢流量明显减少，热防护难度增加。

图8 不同氢氧混合比点火器火花塞插入平面壁面温度分布Fig.8 Wall Temperature with Different Mixture Ratio

由图8可知，氢氧混合比从0.8升至1.5后，头部最高温度从600 K升至2500 K，高温区向氧喷嘴方向移动，身部最高温度从520 K升至685 K，出口燃气平均温度明显升高。

综上所述，氢氧混合比过高将直接导致火花塞及氧喷嘴烧蚀，在点火能量[9]及点火极限[5]允许范围内，应尽量降低火炬式电点火器的氢氧混合比，确保其可靠工作。

3.3 背压对点火器燃烧流场的影响

点火器背压2 MPa、4.2 MPa和6 MPa条件下点火器壁面温度及氢流量分布如图9、图10所示，氢氧流量及点火器几何结构均采用工况1。

图9 不同背压点火器壁面氢质量百分比分布云图Fig.9 Mass Fraction of H2Distribution on Igniter Wall with Different Back Pressure

由图9可知，随背压升高，点火器头部随着背压升高燃烧更为充分，头部氢流量略有减少，故而高温区向氧喷嘴方向移动，但点火器出口燃气温度变化不大。由于氢入口压力增加，氢流速增加，头部冷却氢周向分布随背压增加发生改变，故而图 10中 6 MPa背压下点火器火花塞喷注平面不是燃气温度最高部位。图9中冷却氢流量最少部位温度最高约1900 K，略高于背压4.2 MPa点火器工况。综上，点火器背压对燃烧流场的影响小于混合比及氢氧喷注距离对燃烧流场的影响。

图10 不同背压点火器火花塞插入平面壁面温度分布曲线Fig.10 Wall Temperature with Different Back Pressure

4 结 论

本文采用真实气体与非预混燃烧模型开展了氢氧火炬式电点火器的燃烧流动仿真分析，仿真结果与试验相符，验证了仿真模型的可靠性，并得到如下不同氢氧喷注距离、混合比以及背压对点火器燃烧及热防护的影响规律：

a）相同工况下氢氧喷注距离越近，越有利于点火器头部及火花塞热防护，但点火器身部冷却氢流量减少，壁面温度升高，需综合权衡头部与身部的热防护效果选取氢氧喷注距离；

b）混合比升高，燃气温度升高，冷却氢膜厚度减薄，点火器头部和身部热防护难度加剧，在点火能量及点火极限允许范围内，应尽量降低火炬式电点火器的氢氧混合比；

c）点火器背压对燃烧流场的影响小于混合比及氢氧喷注距离，燃气温度变化不大。

2）地方省级投资主体主导建设跨地市的省级管网。浙江、江西、广东、湖北等省级投资主体投资建设省级管网，有一省一网，也有一省多网，运营模式上有统购统销、代输或二者兼而有之。