運載火箭增壓管路隨機性壓力跳變機理及試驗驗證

2022-03-10 06:20:48周智勇陳二鋒劉春姐

導彈與航天運載技術 2022年1期

周智勇，岳婷,2，陳二鋒,2，劉春姐

（1. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2. 深低溫技術研究北京市重點實驗室，北京，100076）

0 引言

常規在役液體運載火箭一級燃增壓系統均采用燃氣自生增壓，利用三通實現地面溢出排氣與箭上增壓管路的共用，如圖1所示。三通入口為自生增壓管、出口一端與箱內溢出管連接，另一端與安溢閥連接。當燃箱壓力高于安溢閥打開壓力時，貯箱自動泄壓。

圖1 增壓溢出管路結構示意Fig.1 Pressurizing and Over-flowing Pipeline Structure

飛行遙測數據表明，約30%發次（統計約50余次）的燃增壓管入口壓力曾發生過壓力跳變現象，即入口壓力在工作段某一時刻陡增并維持該壓力水平一段時間，典型的一級燃增壓路入口壓力跳變現象如圖2所示。該壓力跳變現象具有如下特點：a）上游自發動機來的燃氣流量、溫度無明顯變化，下游貯箱壓力無明顯變化；b）壓力跳變現象發生時間具有隨機性，持續時間也具有隨機性；c）壓力跳變量級約0.04～0.05 MPa。

圖2 典型跳變現象Fig.2 Typical Pressure Jump

該一級燃增壓管路飛行過程中上下游邊界無明顯變化，而在管路局部產生隨機性的壓力跳變，這種現象與傳統上關于管內介質流動是“確定性”流動的認知不符，因此，有必要開展詳細的機理分析，探究其管路隨機性壓力跳變的問題根源及抑制方案，避免對貯箱增壓效能產生非預期的后果。

本文針對一級燃增壓路的壓力跳變現象，通過理論分析、數值仿真及試驗驗證，提出了復雜管路內存在的流動多解現象及螺旋流流型，從機理上復現了復雜管路內的壓力跳變現象，在此基礎上，提出了在管路中增加隔板的抑制方案，有效消除了燃壓力路中的隨機性壓力跳變現象，并已通過試驗驗證。

1 研究現狀

通過調研，圓管內的流動除了常見的正常流型外，還存在一種特殊的流動形式——螺旋流，如圖3所示。螺旋流由于介質在管內的旋轉特性，在工業中常被用于強化換熱、清洗污垢。一般來說，工業上螺旋流通常由渦流發生器（切向進流、安裝導流片或旋轉管道）產生。通過在換熱管進口端安裝一根塑料螺旋紐帶裝置，利用流體自身的動能使扭帶旋轉，產生螺旋流，不斷地刮掃和撞擊管內壁，從而達到清洗管內污垢、抑制污垢沉積和強化傳熱的目的。

圖3 圓管內的兩種典型流型Fig.3 Two Typical Flow Patterns in Circular Tubes

除渦流發生器外，國內外學者試驗發現一些特殊的管路結構也會產生螺旋流。日本白百合女子大學Kiyoshi Horii等用空氣作為流動介質，針對幾種裝置在特定數條件下，用粒子顯示出管內存在非常穩定的強螺旋流現象。北京大學湍流研究國家重點實驗室的熊鰲魁等通過一種裝置開展了水介質的驗證試驗，提出了不對稱的雙渦在相互作用后卷并為一個渦，并形成了穩定的強螺旋流現象。然而，上述裝置為何會產生螺旋流以及管道結構形狀、幾何參數對螺旋流的形成與發展有何影響卻不甚清楚，除Horii等作過系列研究外，未見報道。Horii雖也試圖解釋這種流動現象，如初步認為Coanda效應與流動不穩定性是產生螺旋流的原因，然而根據還不充分。

2 燃增壓管入口壓力跳變現象仿真分析

2.1 研究對象

常規在役液體運載火箭一級燃增壓及溢出管系結構見圖1。發動機產生的燃氣通過底端的自生增壓管入口進入管系，經溢出管入口進入燃箱，自生增壓管內徑63 mm，通過三通與溢出管連接，三通主路內徑104 mm，三通另一端連接安溢閥；溢出管內徑100 mm，中心長度9 m。

2.2 仿真模型

采用商用流體力學計算軟件ANSYS CFX / Fluent，湍流模型采用RNG-模型。介質為燃氣，采用理想氣體模型，氣體常數為472.8 J·(kg·K)，比熱為 2616.88 J·(kg·K)，動力粘度為1.90×10Pa·s。

增壓管入口為流量邊界，流量為0.96 kg/s，溫度為593 K；出口為壓力邊界，壓力為0.28 MPa。

2.3 仿真結果分析

2.3.1 燃增壓管路中的兩種流型

計算表明，采用ANSYS CFX 和Fluent兩種軟件，分別采用低階算法（CFX對流項采用低階格式、Fluent基于壓力算法）和高階算法（CFX對流項采用高階格式、Fluent基于密度算法），均能得到兩個完全收斂的穩定解。一種為如圖4所示的正常流型，管路流阻為0.041 MPa，由于管路的折彎，使得三通出口處流線有一定的旋轉，但在沿管路流動的方向上，旋流越來越弱；三通截面處，未形成明顯的大渦結構；一種為如圖5所示的螺旋流流型，管路流阻為0.078 MPa，與正常流型所不同，該流型在三通內形成了一個明顯的大渦結構，并在溢出管內形成穩定的螺旋流。當流型由正常流過渡到螺旋流時，由于增壓管入口流量、溫度未發生變化，因此燃箱壓力無變化，但管路局部流阻增加，導致增壓管入口壓力上升，出現“入口壓力跳變”現象。

圖4 增壓管流場云圖（迎風格式）Fig.4 Cloud Map of Pressurizing Tube Flow Field (Upwind Scheme)

圖5 增壓管流場云圖（高階格式）Fig.5 Cloud Map of Pressurizing Tube Flow Field (High Resolution Scheme)

續圖5

2.3.2 兩種流型增壓管路流阻特性分析

取8個截面的總壓、靜壓及動壓分布曲線，見圖6（圖中壓力參考為0.28 MPa）。1～8分別為進口截面、三通入口截面、三通出口截面、溢出管的4個截面（間隔2 m）、出口截面。從圖6中可以看出，流阻損失（即總壓損失）最大處為三通；對于正常流，從三通入口（63 mm）到三通出口（100 mm）的動壓損失明顯，而對于螺旋流在三通處的旋轉加速作用，動壓損失相比正常流小。仿真結果正常流流阻0.041 MPa，螺旋流流阻0.078 MPa；實際飛行的正常流阻為0.047 MPa，跳變后的流阻約0.093 MPa，仿真結果與飛行遙測數據基本一致。

圖6 壓力分布Fig.6 Pressure Distribution

續圖6

2.3.3 兩種流型安溢閥感知壓力分析

提取安溢閥安裝位置的靜壓分布如圖7所示，從圖7中可以看出，產生螺旋流后，由于產生類似管內龍卷風的效應，安溢閥截面中心位置靜壓明顯降低，相比正常流動狀態，最低壓力低約0.033 MPa。根據安溢閥安裝位置的靜壓分布，可認為發生螺旋流后，安溢閥局部感受壓力降低。

圖7 靜壓分布Fig.7 Static Pressure Distribution

2.3.4 湍流模型對螺旋流壓力跳變影響分析

通過調研及仿真案例，認為湍流模式是數值模擬螺旋流的一個主要障礙，對螺旋流的預測幾乎暴露了所有現有模式的不足。一般而言，渦粘性模式（標準-、SST、-等）均不能有效反映湍流對流線彎曲的敏感性，也與螺旋流中顯著的各向異性以及雷諾應力與平均變形的主軸不一致的特點不符，所以一般認為渦粘性模式不太適用于螺旋的流動；雷諾應力模式由于增加了6組雷諾應力的控制方程，理論上可以有效考慮漩渦的各向異性，但目前發展仍不太成熟。

目前螺旋流仿真應用較多的是采用二階的RNG-模型。RNG-模型是從瞬態的N-S方程導出的，運用了一種叫“Renormalization Group”（RNG）理論的數學技巧方法，所以RNG-模型比標準-模型對瞬變流和流線彎曲影響的預報能力得到了加強。

圖4、圖5展示了不同湍流模型對壓力跳變的計算結果，從圖中可看出，RNG-湍流模型對于螺旋流流型的仿真相比-模型、SST模型相對精確。不同湍流模型對壓力跳變的影響如表1所示。

表1 不同湍流模型對壓力跳變的影響Tab.1 Influence of Different Turbulence Models on Pressure Jump

3 燃增壓管入口壓力跳變復現及抑制試驗

燃增壓管入口壓力跳變復現以及抑制試驗系統見圖8，主要由氣源、參試產品、模擬貯箱及電磁閥組排氣系統、電動調節安溢閥、傳感器壓力采集設備、安溢活門處壓力傳感器及壓力采集設備等組成。地面試驗增壓流量為1.86 kg/s，采用電機驅動安溢活門模擬件，為管路內流場增加擾動，同時采用不同排氣電磁閥個數控制貯箱壓力。