鎢滲銅燃?xì)舛婊瘜W(xué)燒蝕計(jì)算

鄭興宇，楊　濤，張青斌

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙　410073)

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【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】

鎢滲銅燃?xì)舛婊瘜W(xué)燒蝕計(jì)算

鄭興宇，楊濤，張青斌

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410073)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)舛娴臒g主要包括Al2O3顆粒沖刷、化學(xué)燒蝕，采用商業(yè)軟件FLUENT對(duì)某型號(hào)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾流場(chǎng)和鎢滲銅燃?xì)舛娴牧鲌?chǎng)進(jìn)行模擬，通過(guò)氣固雙向耦合計(jì)算穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的燃?xì)舛娴膬?nèi)部溫度場(chǎng)分布和變化過(guò)程；編寫插入U(xiǎn)DF函數(shù)計(jì)算燃?xì)舛媾c高溫氣流發(fā)生反應(yīng)造成的化學(xué)燒蝕，計(jì)算燃?xì)舛娴幕瘜W(xué)燒蝕量。

燃?xì)舛?；流固耦合；燒蝕

燃?xì)舛孀鳛橐环N固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制方式，一般安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的后面，通過(guò)舵面的作用使得羽流偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生側(cè)向力達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制的目的。燃?xì)舛嬖谡麄€(gè)工作過(guò)程中，都處于高溫超聲速燃?xì)馍淞鞣諊鷥?nèi)，其工作環(huán)境極其惡劣。為了克服燃?xì)馍淞鲗?duì)燃?xì)舛娴臒g影響，當(dāng)前燃?xì)舛媸褂玫闹髁鞑牧蠟殒u滲銅，因此有必要對(duì)鎢滲銅燃?xì)舛婀ぷ鬟^(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行流固耦合計(jì)算，并根據(jù)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果計(jì)算燃?xì)舛娴臒峄瘜W(xué)燒蝕。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)鎢滲銅材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。E.W.Ungar和K.J.Touryan[1]在1965年根據(jù)鎢滲銅材料燒蝕五個(gè)時(shí)間段，重點(diǎn)分析融化過(guò)程，不僅考慮相變吸熱，而且考慮材料密度變化，通過(guò)數(shù)學(xué)建模和電弧等離子體實(shí)驗(yàn)，研究在空氣氣流中表面銅液體層的整個(gè)產(chǎn)生和消失過(guò)程對(duì)導(dǎo)熱和燒蝕計(jì)算的影響，測(cè)量其表面溫度和沿厚度變化趨勢(shì)。JustinL.Sabourin和RichardA.Yetter[2]研究了鎢滲銅喉部材料與CO2、CO、O2的多相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，重點(diǎn)研究發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境下高溫高壓對(duì)鎢表面組分吸附和脫附的影響以及各個(gè)組分之間的相互影響，實(shí)際表面氧化和燒蝕速率的關(guān)系。Danielson[3]對(duì)燃?xì)舛姹砻娴臏囟确植己蜔g率進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量,由于燃?xì)舛婀ぷ鳝h(huán)境惡劣，很難獲得比較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。陳百順等[4]用掃描電鏡對(duì)熱試車后實(shí)物殘骸進(jìn)行了研究,分析了材料工作時(shí)的發(fā)汗冷卻過(guò)程和燒蝕機(jī)理,為設(shè)計(jì)和選材提供了參考依據(jù)。

目前，對(duì)于鎢滲銅燃?xì)舛娴臏囟葓?chǎng)計(jì)算和熱化學(xué)燒蝕采用數(shù)值仿真手段的較少，且大多采用單向耦合的方式，事實(shí)上，燃?xì)舛鎯?nèi)部溫度場(chǎng)的分布同樣會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響。本文采用FLUENT通過(guò)雙向耦合的方式對(duì)燃?xì)舛嫱獠苛鲌?chǎng)和內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)UDF編寫燃?xì)庵兴投趸寂c鎢的反應(yīng)過(guò)程，計(jì)算燃?xì)舛婀ぷ鬟^(guò)程的熱化學(xué)燒蝕量。

1　噴管及燃?xì)舛嫖锢砟Ｐ?/h2>

1.1噴管及燃?xì)舛嫖锢砟Ｐ?/p>

本文設(shè)計(jì)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)舛娴慕Y(jié)構(gòu)和尺寸由工業(yè)部門提供。圖1為含燃?xì)舛鎳姽苣Ｐ蛨D，圖2為燃?xì)舛婺Ｐ汀?/p>

圖1　含燃?xì)舛鎳姽苣Ｐ蛨D

圖2　燃?xì)舛婺Ｐ?/p>

1.2基本假設(shè)及物性參數(shù)

為了便于分析計(jì)算,須對(duì)模型作如下假設(shè):燃?xì)鉃榭蓧嚎s的理想氣體；不考慮燃?xì)鈨?nèi)部各組分的化學(xué)反應(yīng)；燃?xì)舛娌牧闲再|(zhì)不隨溫度變化；忽略燃?xì)庵须x散顆粒相的影響；在耦合傳熱中只考慮對(duì)流換熱作用,忽略輻射傳熱的影響；為了減少計(jì)算量,取單一舵片進(jìn)行計(jì)算分析。本文固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用某聚硫復(fù)合固體推進(jìn)劑[5]，經(jīng)過(guò)化學(xué)平衡計(jì)算，得到推進(jìn)劑燃?xì)庵饕獨(dú)怏w組分如表1所示。

表1　混合氣體組分和摩爾分?jǐn)?shù)

燃?xì)舛骀u滲銅材料性質(zhì)如表2[6]所示。

表2　鎢滲銅材料性質(zhì)

1.3計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域如圖3所示,由于固體推進(jìn)劑在燃燒室內(nèi)部經(jīng)點(diǎn)火燃燒、流動(dòng),在噴管出口截面產(chǎn)生高溫、高速、欠膨脹燃?xì)馍淞?燃?xì)馍淞髁鞒鰢娍诤筮M(jìn)一步向外部環(huán)境膨脹,對(duì)燃?xì)舛娈a(chǎn)生沖擊效應(yīng)。因此,本研究的計(jì)算區(qū)域應(yīng)為燃?xì)饬鲃?dòng)經(jīng)過(guò)的區(qū)域和燃?xì)舛婀腆w內(nèi)部。計(jì)算區(qū)域具體包括:發(fā)動(dòng)機(jī)噴管本體部分:包括燃燒室段、收斂段、喉部和擴(kuò)張段；燃?xì)舛妫煌獠苛鲌?chǎng)流動(dòng)區(qū)域。由于發(fā)動(dòng)機(jī)尾流為超音速氣流,擾動(dòng)不可逆流傳播,考慮三維流場(chǎng)巨大的計(jì)算量,計(jì)算區(qū)域在軸向方向上自噴管出口外推1.5倍噴噴口直徑,徑向方向外推2.5倍噴口直徑。

圖3　計(jì)算區(qū)域

本文采用ICEM劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，分為流體區(qū)域和燃?xì)舛婀腆w區(qū)域兩個(gè)部分，在噴管出口延伸一個(gè)長(zhǎng)175mm，半徑為330mm的圓柱型尾流場(chǎng)計(jì)算域。噴管壁面、出口圓柱表面以及燃?xì)舛姹诿婢捎盟倪呅尉W(wǎng)格。整個(gè)流場(chǎng)計(jì)算域外圍邊界網(wǎng)格如圖4所示，燃?xì)舛姹诿嫔暇W(wǎng)格如圖5所示，體網(wǎng)格全部采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。流體區(qū)域網(wǎng)格量為129萬(wàn)，固體區(qū)域網(wǎng)格量為5 000。

圖4　整個(gè)計(jì)算域外圍邊界網(wǎng)格

圖5　燃?xì)舛姹诿嫔暇W(wǎng)格

1.4邊界條件

入口邊界：選擇壓力入口邊界，總壓為7.5MPa，燃?xì)鉁囟葹? 560K。

出口邊界：壓力出口邊界條件需要指定出口處的靜壓力(或表壓力)。當(dāng)出流處是亞聲速流時(shí)才需要指定其靜壓值；對(duì)于出口為超聲速流時(shí),可以直接由上游的值通過(guò)外推法確定其出口處的壓力,不需要指定其靜壓值。

壁面條件：噴管壁面為不可滲透的絕熱邊界條件,即壁面的熱流通量q為零。鎢滲銅燃?xì)舛孀鳛楣腆w區(qū)域參與能量傳遞計(jì)算，舵面前緣、后緣、頂部和根部、迎風(fēng)面和背風(fēng)面均設(shè)為耦合壁面。

燃?xì)舛嫫鞑糠置Q定義如圖6所示;Fluent網(wǎng)格劃分域名稱定義如圖3所示。

圖6　燃?xì)舛娓魑恢媒Y(jié)構(gòu)術(shù)語(yǔ)

2　化學(xué)燒蝕速率計(jì)算

含鋁固體推進(jìn)劑的燃燒產(chǎn)物組分很多，主要有H2O、H2、CO、HCl、CO2、H2、N2、Al2O3等。試驗(yàn)表明，HCl、H2、N2、CO等不會(huì)與鎢發(fā)生反應(yīng)；而H2O、CO2會(huì)與鎢發(fā)生明顯的反應(yīng)。反應(yīng)可參考式(1)和式(2)。

W+3H2O(g)→WO3(g)+3H2(g)

(1)

W+3CO2(g)→WO3(g)+3CO(g)

(2)

可由發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算給出燃?xì)舛婀ぷ鳝h(huán)境中H2O、CO2含量及環(huán)境溫度等參數(shù)。

多數(shù)情況下，燃?xì)舛嬖趪姽芄ぷ骱蠛芏虝r(shí)間，舵表面就已經(jīng)加熱到以上兩個(gè)反應(yīng)需要的溫度，因此整個(gè)舵表面氧化燒蝕過(guò)程可以假設(shè)為氧化擴(kuò)散機(jī)制控制的。在這種機(jī)制下，每一種氧化物化學(xué)燒蝕速率如式(3)[7]所示：

(3)

其中，ρw鎢滲銅材料的密度;μw， μgas分別為鎢和混合氣體的分子量;χr為混合氣體中反應(yīng)組分的摩爾分?jǐn)?shù);h 和cp分別是混合氣體的對(duì)流換熱系數(shù)和定壓比熱。

通過(guò)在FLUENT中插入自定義UDF函數(shù)，計(jì)算燒蝕速率，得到燒蝕速率云圖，燒蝕速率單位為mm/s。通過(guò)非穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到一定時(shí)間的燒蝕量，單位為mm。

3　計(jì)算結(jié)果與分析

3.1穩(wěn)態(tài)結(jié)果分析

圖7至圖9分別為穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到的燃?xì)舛姹砻鎵毫?、溫度和穩(wěn)態(tài)化學(xué)燒蝕速率等值線云圖，壓力單位為Pa，溫度單位為K,燒蝕速率單位為mm/s，從圖7至圖9可以看出，燒蝕達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，燒蝕嚴(yán)重的地方，是前緣附近，計(jì)算得到的最大燒蝕速度是0.335mm/s。和文獻(xiàn)[7]計(jì)算結(jié)果相近。

圖7　燃?xì)舛姹砻鎵毫Ψ植嫉戎稻€云圖

圖8　燃?xì)舛姹砻鏈囟确植嫉戎稻€云圖

圖9　穩(wěn)態(tài)化學(xué)燒蝕速率等值線云圖

3.2非穩(wěn)態(tài)化學(xué)燒蝕結(jié)果分析

圖10至圖12 分別為燃?xì)舛鏈囟?、燒蝕速率和燒蝕量隨時(shí)間的變化關(guān)系，燃?xì)舛鏈囟葹轶w平均溫度，燒蝕速率和燒蝕量為燃?xì)舛姹砻嫫骄怠?/p>

由圖10至圖12可以看出，燃?xì)舛鏌g速率在溫度達(dá)到穩(wěn)定以后也基本穩(wěn)定，時(shí)間在30s左右，但是燒蝕量隨時(shí)間的變化是線性的。

圖13為不同時(shí)間段燃?xì)舛鏌g速率值線云圖，燒蝕速率單位為mm/s。圖14為非穩(wěn)態(tài)計(jì)算不同時(shí)間點(diǎn)燃?xì)舛鏌g量等值線云圖，燒蝕量單位為mm。

從圖13可以看出，燃?xì)舛娴淖畲鬅g速率剛開始出現(xiàn)在前緣，由前往后逐漸擴(kuò)大，至30s整個(gè)燃?xì)舛姹砻婊具_(dá)到最大燒蝕速率。

圖10　燃?xì)舛鏈囟入S時(shí)間變化

圖11　燃?xì)舛鏌g速率隨時(shí)間變化

圖12　燃?xì)舛鏌g量隨時(shí)間變化

由圖14可以看出，燒蝕量從前緣到后緣逐漸均勻增大，燒蝕最主要集中在前緣至最大厚度處。

圖13　不同時(shí)間點(diǎn)燃?xì)舛鏌g速率等值線云圖

圖14　不同時(shí)間點(diǎn)燃?xì)舛鏌g量等值線云圖

4　結(jié)論

鎢滲銅材料由于其較高的熱導(dǎo)率，燃?xì)舛婕訜岷芸欤?0s整體溫度基本達(dá)到均勻，化學(xué)燒蝕速率也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在工作起始階段，鎢滲銅燃?xì)舛媲熬墱囟妊杆偕仙?，燃?xì)舛媲熬壛鲃?dòng)滯止區(qū)域始終是全舵面溫度最高點(diǎn)，且表面溫度沿著燃?xì)饬鲃?dòng)方向逐漸降低，在燃?xì)舛婧缶壌嬖谝粋€(gè)局部二次高溫區(qū)域。鎢滲銅的穩(wěn)態(tài)化學(xué)燒蝕速率穩(wěn)定在0.335mm/s左右，燒蝕過(guò)程中從前緣到后緣逐漸均勻增大。本文的計(jì)算過(guò)程沒(méi)有考慮燃?xì)舛姹砻嫱艘埔蛩兀@將是以后研究重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

CalculationofChemicalAblationofJetVaneMadeofCIT(CopperInfiltratedTungsten)

ZHENGXing-yu,YANGTao,ZHANGQing-bin

(SchoolofAerospaceScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073，China)

TheablationofjetvaneinthesolidrocketmotormainlyincludestheparticleerosionofAl2O3andchemicalablation.ThispaperusedthecommercialsoftwareFLUENTtosimulatetheflowfieldaroundthejetvaneinthesolidrocketmotor.Theinternaltemperaturefielddistributionandchangeofthejetvanewascalculatedbymeansofgassolidtwowaycouplingcalculation.TheUDFfunctionwasinsertedtocalculatethechemicalablationofjetvanecausedbythereactionofjetvaneandthehightemperaturegasflow.

jetvane;fluidsolidcoupling;ablation

2016-04-18；

2016-06-05

國(guó)家自然科學(xué)基金“物-傘多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與相似性研究”(51375486)

鄭興宇(1990—)，男，主要從事固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)理論與應(yīng)用研究。

10.11809/scbgxb2016.09.038

format:ZHENGXing-yu,YANGTao,ZHANGQing-bin.CalculationofChemicalAblationofJetVaneMadeofCIT(CopperInfiltratedTungsten)[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):166-170.

V421.6+2

A

2096-2304(2016)09-0166-05

本文引用格式：鄭興宇，楊濤，張青斌.鎢滲銅燃?xì)舛婊瘜W(xué)燒蝕計(jì)算[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(9):166-170.