液氧煤油發(fā)動機(jī)試車臺內(nèi)部空氣流場仿真分析

劉 洋，孫 樂，王宏亮

（西安航天動力試驗(yàn)技術(shù)研究所，西安，710100）

0 引 言

液氧煤油發(fā)動機(jī)試車臺主要承擔(dān)發(fā)動機(jī)整機(jī)地面點(diǎn)火的試驗(yàn)任務(wù)，并測量發(fā)動機(jī)推力、推進(jìn)劑流量等重要參數(shù)，對考核液氧煤油發(fā)動機(jī)性能具有重要意義[1]。發(fā)動機(jī)試驗(yàn)過程中，噴管產(chǎn)生的超聲速燃?xì)鈺┻^試車臺燃?xì)馀欧趴冢瑢ε_體內(nèi)的空氣存在引射作用[2]。

試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)時，需充分考慮超聲速燃?xì)庖渥饔脤υ囼?yàn)臺內(nèi)靜壓分布及發(fā)動機(jī)推力測量的影響，合理設(shè)計(jì)臺體結(jié)構(gòu)。目前針對液體火箭發(fā)動機(jī)試車臺推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)的研究較多[3，4]，但對臺體空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究相對較少。本文利用數(shù)值仿真方法，對某待建1200 kN液氧煤油發(fā)動機(jī)試車臺前間的空氣流場及壓力分布情況進(jìn)行仿真分析，為試車臺空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 仿真方法及物理模型

所研究的待建試驗(yàn)臺高21 m，占地面積340 m2，其0 m平臺處設(shè)計(jì)有4道大門（M1，M2，M3，M4），頂部設(shè)有天窗，平臺中心設(shè)有直徑6 m的圓柱形燃?xì)馀欧趴凇Ｌ齑耙话汴P(guān)閉，試車時打開。試車過程中發(fā)動機(jī)噴管產(chǎn)生的高速燃?xì)馔ㄟ^排放口進(jìn)入導(dǎo)流槽，受高速燃?xì)獾囊渥饔糜绊懀_體內(nèi)空氣被引射進(jìn)入試車臺燃?xì)馀欧趴冢S高速燃?xì)庀蛳逻\(yùn)動。

由于試車臺內(nèi)被發(fā)動機(jī)燃?xì)庖洚a(chǎn)生的空氣流動速度較低，而發(fā)動機(jī)燃?xì)鉃槌曀倭鲃印榱撕喕W(wǎng)格并提高仿真計(jì)算精度，首先采用Realizable k-ε湍流模型及湍流可壓縮N-S方程對燃?xì)馀欧趴趦?nèi)超聲速燃?xì)庖洚a(chǎn)生的空氣流場進(jìn)行仿真計(jì)算[5]；然后將試車臺燃?xì)馀欧趴诮孛嫣幬肟諝獾牧魉俨捎米远x標(biāo)量設(shè)置方法，加載在試車臺內(nèi)部空間的仿真模型中，計(jì)算試車臺內(nèi)部的空氣流動特性，該方法可節(jié)省仿真計(jì)算時間，提高計(jì)算準(zhǔn)確性。

1.1 試車臺內(nèi)部空間的仿真模型

試車臺內(nèi)部由 5層鋼平臺組成，分別位于標(biāo)高3.8 m、7 m、10.5 m、14 m和17.5 m處，發(fā)動機(jī)噴管底端距離燃?xì)馀欧趴谏喜?.2 m。試車臺0 m設(shè)置有4道大門，其中3道大門的開啟面積36 m2，另一道大門開啟面積18 m2。天窗位于試車臺頂部，正對試車臺燃?xì)馀欧趴冢娣e70 m2，試車臺內(nèi)部空間三維模型網(wǎng)格的劃分情況如圖1所示。

圖1 試車臺內(nèi)部區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格示意Fig.1 Simulation Grid for Internal of Test Facility

在進(jìn)行內(nèi)部空氣流場仿真時，采用零方程湍流模型，該模型按下式計(jì)算湍流粘性系數(shù)：

式中 v為空氣流速，m/s；ρ為密度，kg/m3；l為計(jì)算點(diǎn)距離壁面最近的距離，m。

實(shí)驗(yàn)顯示，對于室內(nèi)空氣自然對流和強(qiáng)迫對流共存的混合對流流動，采用零方程湍流模型能夠獲得比帶浮升力效應(yīng)的k-ε模型更準(zhǔn)確的結(jié)果[6]，同時收斂性更佳。

模型假設(shè)如下：試車臺內(nèi)部空氣密度變化不大，僅對浮升力產(chǎn)生影響；空氣為低速不可壓縮流體，忽略由于流體黏性力做功引起的耗散熱[7～10]。

燃?xì)馀欧趴诘目諝馕雲(yún)^(qū)采用速度入口邊界條件，其速度分布值選取燃?xì)馀欧趴趦?nèi)流場仿真計(jì)算結(jié)果，大門及天窗位置采用壓力出口邊界條件，出口壓力為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?3 kPa。

1.2 空氣吸入邊界條件的確定

超聲速燃?xì)庖洚a(chǎn)生的空氣流場仿真計(jì)算結(jié)果顯示試車臺燃?xì)馀欧趴?4 m截面處的空氣占比（見圖2）。

提取燃?xì)馀欧趴诘陌霃綇?.3～3 m范圍內(nèi)的空氣流速分布曲線如圖3所示。結(jié)合空氣占比分布，將燃?xì)馀c空氣混合區(qū)域半徑1.3～1.4 m內(nèi)的空氣質(zhì)量流量近似疊加在半徑1.4～3 m的計(jì)算區(qū)域范圍內(nèi)，通過多項(xiàng)式擬合，得到空氣區(qū)速度分布與半徑應(yīng)滿足的關(guān)系式，即：

式中 R為半徑，m；v為空氣速度，m/s。

圖2 空氣比例分布云圖Fig.2 Air Ratio Distribution Map

圖3 燃?xì)馀欧趴诮孛婵諝馑俣确植记€Fig.3 Air Velocity Distribution of Gas Outlet

將燃?xì)饬魉俦磉_(dá)式采用自定義標(biāo)量設(shè)置方法加載在試車臺燃?xì)馀欧趴?4 m截面處，作為其內(nèi)部空間空氣流場仿真時速度入口邊界條件。

2 試車臺內(nèi)部的空氣流場仿真

2.1 試車臺內(nèi)部空氣流場的仿真分析

利用建立的仿真模型，對試車臺內(nèi)部的空氣流場進(jìn)行仿真計(jì)算，其空氣流場及靜壓分布如圖4～6所示。

圖4 試車臺內(nèi)部吸入空氣流場云圖Fig.4 Air Flow Field in Test Facility

開設(shè)天窗時試車臺立面的壓力分布如圖6所示。從圖6中可以看出，試車臺上方大部分區(qū)域靜壓值接近當(dāng)?shù)卮髿鈮?3 kPa，試車臺燃?xì)馀欧趴谌肟谔幍撵o壓相對較低，約92.5 kPa。

圖5 試車臺內(nèi)部吸入空氣流速分布云圖Fig.5 Air Velocity Distribution in Test Facility

圖6 試車臺立面的壓力分布云圖Fig.6 Pressure Distribution in Test Facility

吸入空氣的流量分布情況如表1所示。

表1 各大門及天窗處的空氣流量Tab.1 Air Flow Ratio in Gates and Skylight

由表 1可知，天窗距離燃?xì)馀欧趴谳^遠(yuǎn)，由天窗吸入試車臺的空氣需穿過各層大小不同的圓形孔洞才能夠順利進(jìn)入燃?xì)馀欧趴冢芰髯杓熬嚯x影響，天窗處被高速燃?xì)馕氲目諝饬枯^小。空氣主要通過大門M1、M2、M4被吸入，由于大門M1、M2距離燃?xì)馀欧趴谳^近，因此空氣質(zhì)量流量最大。

2.2 仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在某類似試驗(yàn)臺前采用風(fēng)速儀對發(fā)動機(jī)點(diǎn)火過程中燃?xì)馀欧趴谥車目諝饬魉龠M(jìn)行測量。考慮到風(fēng)速儀量程及測量精度等因素，所選取的4個風(fēng)速測點(diǎn)延發(fā)動機(jī)軸線半徑為3.5 m的周向均布，測點(diǎn)距離地面1 m，實(shí)測值與仿真值的對比結(jié)果如表2所示。

表2 仿真值與實(shí)測值對比表Tab.2 Comparison between Simulation and Real Values

發(fā)動機(jī)試車過程中各測點(diǎn)位置的仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測風(fēng)速值的偏差均在10%以內(nèi)，滿足工程計(jì)算要求。

2.3 不設(shè)置天窗對臺體內(nèi)空氣流場的影響

在不設(shè)置天窗條件下，對試車臺內(nèi)空氣流場進(jìn)行仿真計(jì)算，除天窗處采用Wall邊界外，其他邊界條件的設(shè)定方法保持不變。計(jì)算得到試車臺內(nèi)部空氣流場及壓力分布如圖7～9所示。

圖7 未設(shè)天窗時吸入空氣流場分布云圖Fig.7 Air Flow Field in Test Facility When No Skylight

對比發(fā)現(xiàn)，不開設(shè)天窗時，試車臺內(nèi)部大部分空間的壓力接近當(dāng)?shù)卮髿鈮海啾容^于設(shè)置天窗的情況，燃?xì)馀欧趴诟浇膲毫Σ粫l(fā)生明顯變化。因此，試驗(yàn)臺開設(shè)天窗與否對其內(nèi)部空間壓力分布的影響不明顯。

發(fā)動機(jī)推力可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中 qm為燃?xì)赓|(zhì)量流量，kg/s；ve為燃?xì)饬魉伲琺/s；Ae為發(fā)動機(jī)噴管出口截面積，m2；pe為發(fā)動機(jī)噴管出口截面的燃?xì)鈮簭?qiáng)，Pa；pa為噴管周圍大氣壓力，Pa。

圖8 未設(shè)天窗時吸入空氣速度分布云圖Fig.8 Air Velocity Distribution in Test Facility When No Skylight

圖9 未設(shè)天窗時試車臺立面的壓力分布云圖Fig.9 Pressure Distribution in Test Facility When No Skylight

從圖9中可以看出，試車臺上方大部分區(qū)域壓力均接近當(dāng)?shù)卮髿鈮海l(fā)動機(jī)噴管周圍靜壓值為92750 Pa，較開設(shè)天窗條件上升250 Pa。

在發(fā)動機(jī)燃?xì)赓|(zhì)量流量及流速不變的情況下，會間接導(dǎo)致發(fā)動機(jī)理論推力測量值減少約339 N，該值遠(yuǎn)小于發(fā)動機(jī)實(shí)際推力1200 kN，可忽略其對發(fā)動機(jī)推力測量產(chǎn)生的影響。

3 結(jié) 論

利用計(jì)算流體力學(xué)仿真分析方法，對液體火箭發(fā)動機(jī)試車臺內(nèi)部空氣流場進(jìn)行了仿真分析，結(jié)論如下：

a）不設(shè)置天窗會對試車臺內(nèi)部的氣流組織產(chǎn)生一定影響，但發(fā)動機(jī)高速燃?xì)鈱υ囓嚺_上部空間空氣的引射作用不明顯，試車臺臺體上部空間靜壓值較開設(shè)天窗時略有變化，試車臺頂部結(jié)構(gòu)不會因?yàn)橥饨鐨鈮哼^大而產(chǎn)生破壞；

b）如試車臺不設(shè)置天窗，發(fā)動機(jī)噴管周圍氣壓有微量上升，間接導(dǎo)致發(fā)動機(jī)理論推力測量值減少約0.03%，該變化量遠(yuǎn)小于發(fā)動機(jī)推力測量系統(tǒng)不確定度0.5%，故不會對發(fā)動機(jī)推力測量產(chǎn)生影響；

c）由于發(fā)動機(jī)試車過程中存在爆炸風(fēng)險，需結(jié)合臺體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對泄爆效果進(jìn)行分析，綜合評價液體火箭發(fā)動機(jī)試車臺開設(shè)天窗的實(shí)際意義。