复合喷管结构流固耦合仿真分析及试验研究*

吴 秋,姬 铮,任全彬,陈林泉,张 明

(1 西北工业大学, 西安 710072; 2 中国航天科技集团公司第四研究院第41研究所, 西安 710025; 3 固体火箭发动机燃烧、热结构与内流场国防科技重点实验室, 西安 710025)

0 引言

发动机喷管在工作时受到高温燃气的冲刷,因此喷管非金属材料多采用抗烧蚀、耐高温的复合材料,开展喷管温度场及烧蚀分析,对提高喷管工作可靠性有着重要的作用,国内外关于喷管温度场及烧蚀变化的研究有很多[1-4],但研究内容均为针对常规发动机喷管,针对组合推进剂降低喉衬烧蚀的研究还处于起步阶段[5],研究成果较少。

文中开展高低燃温组合推进剂下的喷管热结构和试验研究,使用流场计算的壁面温度场为初始条件,计算在不同低燃温推进剂质量含量下,喷管外壁面温度的瞬态变化。同时开展组合推进剂下试验研究,通过测量喷管喉衬外壁面的温度及喉衬烧蚀率,分析低燃温推进剂对喷管热结构及烧蚀的影响。为组合推进剂发动机设计提供参考。

1 组合装药下发动机喷管热结构仿真分析

1.1 热结构计算模型及网格划分

采用的喷管几何模型如图1所示,尺寸为试验发动机喷管尺寸,取喷管的四分之一作为计算域。喷管由金属喷管壳体、收敛段、扩展段、喉衬组成。外壳体材料为钢,收敛段为碳布/酚醛复合材料,扩张段为高硅氧/酚醛复合材料,喉衬为C/C复合材料。网格如图2所示。表1列出计算喷管不同部件的物理性能参数。

表1 各材料的物性参数

图1 喷管结构示意图

图2 喷管壳体网格划分

1.2 热结构结果分析

为了观测外壳体上的温度变化,取外壳体上的一点,距离喉部前端的轴向距离为5 mm,记为点A,如图3所示。将内流场计算的壁面温度作为喷管热结构的初始值,采用瞬态计算,时间一共20 s。分别计算了3种工况,低燃温推进剂含量分别为0%,2%,6.8%,低燃温推进剂燃烧温度为1 300 K,高燃温推进剂燃烧温度3 450 K,总质量流量为32.5 kg/s。在所有算例中,A点的初始温度均设置为22 ℃。外壁面与空气对流换热系数取5 W/(m2·K)。下面对计算结果进行分析。图4给出不同低燃温推进剂含量下A点随时间的温度变化曲线,随着计算时间的增加,热流逐渐传递到外表面,A点的温度升高越来越快。当计算时间为20 s时,不含低燃温推进剂时A点的温度已经升高到65.2 ℃。

图3 A点在壳体上的位置

图4 不同低燃温推进剂含量时点A随时间的温度变化曲线

图5～图6分别给出了含0%、2%低燃温推进剂0 s、20 s时喷管壁面的瞬态温度分布云图,含2%、6.8%低燃温推进剂喷管壁面温度云图相似,喷管不同材料的导热性不同,使得喷管结构温度呈现不同的变化。

图5 含0%、2%低燃温推进剂0 s时喷管热结构的温度云图

图6 含0%、2%低燃温推进剂20 s时喷管热结构的温度云图

2 组合推进剂下复合喷管试验分析

2.1 组合推进剂下喷管外壁面测试

开展高低燃温推进剂组合试验发动机试验研究,推进剂参数见表2,发动机结构示意图见图7。在喷管外壁面布置4个测温点,测点位置分别在距喉部开始位置前5 mm、后5 mm(A点)、后10 mm及后20 mm处,具体位置见图8,测点1、测点2、测点3和测点4分别对应上述几个位置。为了与纯高燃温推进剂发动机对比,设计2发试验,记为1#、2#,分别使用组合推进剂和纯高燃温推进剂。

图7 试验发动机结构示意图

图8 温度测点位置图

表2 推进剂的性能参数

选取位于喉部位置的测点2进行温度比较,见图9～图10。图11中t12曲线对应计算时的A点,对比两台试验发动机测点2处的温度,1#发动机最高温度为46.1℃,2#发动机最高温度为79.9℃,1#发动机测点2的温度明显低于2#发动机,低燃温推进剂有效的降低了推进剂燃气传递给喷管的热量。由于试验条件限制,仅对发动机进行了压强测试,计算得到1#发动机压强冲量为124.1 MPa·s,2#发动机压强冲量为138.6 MPa·s,使用低燃温推进剂后,压强冲量下降10.5%。

图9 1#高低燃温组合装药试验发动机温度曲线

图10 2#纯高温推进剂试验发动机温度曲线

图11将使用含低燃温推进剂的计算结果与试验值进行比较,从图中看出,两者数据变化趋势一致,但之间存在一定的偏差,这是仿真计算设置的参数与实际存在差异,如燃气比热容、导热系数、密度质量流量、温度均是不断变化的,综合导致了仿真计算温度和试验发动机测试温度存在差异。

图11 A点的计算值和试验值比较

2.2 组合推进剂下喷管喉衬烧蚀

试验后对喉径进行4个象限的测量。表3给出了喉衬烧蚀率的对比结果,可以看出, 1#喉衬的烧蚀率要明显低于2#喉衬, 2台试验发动机喷管喉衬的平均烧蚀率分别为0.112 mm/s、0.133 mm/s,与纯高燃温的2#试验发动机烧蚀率相比,1#试验发动机喉衬烧蚀率降低了15.8%。

表3 试验喉衬烧蚀率

图12给出了试验发动机烧蚀后的喉衬实物图,从图中可以看出,使用低燃温推进剂的1#发动机喉衬表面较光滑,而2#试验发动机喉衬则比较粗糙,存在烧蚀后的凹坑,说明使用低燃温推进剂能有效保护喉衬,降低高燃温燃气对喉衬的冲刷。

图12 2个发动机试验后喉衬

3 结论

1) 使用低燃温推进剂能有效降低喷管背壁温度,使用低燃温推进剂越多,喷管背壁温度越低。

2) 从试验结果看,A点试验结果与计算值变化趋势一致,部分点值有较大差别,这主要是由测试方法及仿真计算参数输入差异造成的。

3) 使用低燃温推进剂能有效降低喉衬烧蚀,当低燃温推进剂含量为6.8%时,烧蚀率下降15.8%。