再生冷卻推力室準二維傳熱數(shù)值計算

吳有亮,丁煜朔,劉 瀟,劉陽旻,田 原

(北京航天動力研究所,北京 100076)

0 引言

液體火箭發(fā)動機燃燒室內(nèi)充滿著高溫、高壓以及高速流動的燃氣,燃氣將對壁面產(chǎn)生巨大的對流和輻射熱流,若不采取有效的冷卻措施,壁溫將高到現(xiàn)有工程材料無法承受的程度,進而產(chǎn)生災難性的后果[1-2]。因此,火箭發(fā)動機傳熱和熱防護是發(fā)動機設計中的一個突出問題。現(xiàn)代液體火箭發(fā)動機中,再生冷卻是應用最為廣泛的冷卻技術(shù)。

再生冷卻傳熱過程涉及燃燒、流動和換熱等過程之間的耦合相互作用,導致傳熱計算相當復雜。許多學者利用商用CFD軟件對推力室傳熱過程進行三維仿真計算[3-7]。吳峰等應用經(jīng)驗公式計算燃氣側(cè)對流、輻射換熱,采用氣—固耦合算法進行冷卻通道—冷卻劑三維耦合傳熱計算[8]。康玉東等考慮冷卻劑溫度分層,應用經(jīng)驗公式計算燃氣側(cè)對流、輻射換熱,采用氣—固耦合算法進行冷卻通道—冷卻劑三維耦合傳熱計算[9]。Pizzarelli對高深寬比再生冷卻通道進行了三維流固耦合傳熱數(shù)值仿真,得到了較為精確的計算結(jié)果[10]。Divalentin則利用Fluent研究了通道曲率變化引起的二次流對傳熱過程的影響[11]。CFD計算雖然能夠獲得更為精確的計算結(jié)果,但是計算過程復雜,收斂性差,耗時長且對計算機配置要求高,不利于推力室冷卻結(jié)構(gòu)的快速優(yōu)化設計。

目前工程上傳熱和冷卻劑流阻計算主要利用一維的傳熱計算模型[12-14],將傳熱過程簡化為燃氣與內(nèi)壁面之間的對流和輻射換熱、通過推力室內(nèi)壁的熱傳導以及再生冷卻劑與推力室壁之間的對流換熱3個過程。……