液氧/甲烷發動機推力室肋強化換熱技術數值研究

張 萌，孫 冰

(北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191)

0 引言

近年來，可重復使用運載器(RLV)技術逐漸在國內外引起了廣泛的關注，這項技術能夠顯著降低發射成本進而提高航天產業的競爭力。RLV的一項關鍵技術是高性能液體火箭發動機的研制，由于甲烷易生產和儲存且比沖高，因此，液氧/甲烷發動機逐漸在國內外得到了大量的研究。而膨脹循環系統以其結構簡單、魯棒性高等優點，在液體火箭發動機中得到了廣泛的應用。在該系統中，冷卻劑在再生冷卻通道中吸熱用來驅動渦輪工作。

提高冷卻通道中冷卻劑的吸熱效率可以為渦輪提供更多的驅動力，是該技術進一步發展的關鍵之一，強化換熱的一個直接方法是通過在推力室燃氣側壁面上設置縱向肋以增加推力室壁面換熱面積。Kawashima等對壁面帶有縱向肋的氫氧發動機縮尺推力室進行了點火試驗，并基于實驗數據開展了相關數值仿真工作，對其流場和傳熱的細節特征進行了研究。Betti等對一系列帶有不同肋高的帶肋液氧/甲烷發動機推力室進行了數值研究，結果表明，隨著肋高的增加，由于表面積的增加傳熱效率會增加，但肋效率會隨之降低。

人工粗糙度作為一種局部強化換熱技術，指的是在再生冷卻通道底面加工出具有一定分布規律的凸臺，這不僅能夠增大換熱面積，而且可以通過擾流增大近壁流體的湍流度，從而強化對流傳熱。Hossain等研究了在冷卻通道中設置人工粗糙度對壁面溫度和對流傳熱系數的影響，但沒有就其對整體流場結構的影響做進一步的分析。……