液體火箭發(fā)動機隔板研究綜述

李效斯,黃佳琦,逄 凱,李新艷,王寧飛

(北京理工大學(xué), 北京 100081)

0 引言

在液體火箭發(fā)動機的發(fā)展歷程當(dāng)中,燃燒不穩(wěn)定性始終是繞不開的關(guān)鍵課題。早在20世紀(jì)40年代左右,美國就率先發(fā)現(xiàn)了燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象[1]。在此后的幾十年間,歐洲、蘇聯(lián)的相關(guān)研究機構(gòu)也都陸續(xù)遇到了燃燒不穩(wěn)定的問題,并對其產(chǎn)生機理和解決方案開展了大量的研究[2]。我國在長征系列運載火箭多個型號的研發(fā)中也經(jīng)歷過不穩(wěn)定燃燒的相關(guān)問題[3-4]。

目前,人們普遍認(rèn)為燃燒不穩(wěn)定是由于燃燒過程和系統(tǒng)中流體動態(tài)過程或聲學(xué)振蕩之間耦合而引起的振蕩燃燒現(xiàn)象,發(fā)生時伴隨有燃?xì)鈮毫Α囟群退俣鹊闹芷谛哉袷嶽5-6]。目前針對液體發(fā)動機中的不穩(wěn)定燃燒,主流的分類方式是按照耦合機理進(jìn)行劃分,由于劃分后的結(jié)果在振蕩頻率上存在一定規(guī)律,因此最終劃分為了低頻、中頻和高頻(聲不穩(wěn)定、熱聲耦合)不穩(wěn)定性,相應(yīng)的頻率范圍、產(chǎn)生機理如表1所示[7]。

表1 液體火箭發(fā)動機不穩(wěn)定燃燒分類

其中,高頻的不穩(wěn)定現(xiàn)象被認(rèn)為是燃燒的熱釋放過程與燃燒室聲學(xué)相耦合產(chǎn)生[8-9],具體表現(xiàn)為振蕩的頻率與燃燒室聲學(xué)頻率相符。這種燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象所導(dǎo)致的后果相對來說最為嚴(yán)重,輕則造成燃燒室內(nèi)的局部燒蝕,重則造成整個推進(jìn)系統(tǒng)爆炸[10]。

由于高頻燃燒不穩(wěn)定與聲學(xué)耦合的產(chǎn)生機理以及更強的破壞性,針對這一現(xiàn)象的抑制方法研究自然受到人們的重視。截止目前,在燃燒室內(nèi)靠近噴嘴處位置安裝特定形狀的隔板仍是抑制高頻燃燒不穩(wěn)定的最有效方法[11-12]。

1 隔板基本概念

燃燒不穩(wěn)定性,依據(jù)形成的聲波振蕩的傳播方向,可以劃分為縱向和橫向不穩(wěn)定性等2類。液體火箭發(fā)動機相比于固體火箭發(fā)動機,由于其燃燒室結(jié)構(gòu)的長徑比更小,燃燒室更易發(fā)生橫向燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。在圓柱形的腔室中,橫向不穩(wěn)定性可進(jìn)一步劃分為徑向熱聲振蕩和周向熱聲振蕩(切向振蕩)。對于徑向熱聲振蕩來說,壓力和速度脈動的幅值會在燃燒室徑向上出現(xiàn)有規(guī)律的模態(tài)分布;而對周向熱聲振蕩來說,壓力和速度脈動的幅值會沿圓周方向形成有規(guī)律的模態(tài)分布。

在實際的發(fā)動機燃燒室中,純徑向或純周向的燃燒不穩(wěn)定幾乎不存在。實際發(fā)生的橫向燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象往往是徑向和周向模態(tài)的耦合。圖1分別列出了橫向燃燒不穩(wěn)定中純切向、純徑向以及組合型的前兩階壓力振型和速度振型[1]。

圖1 橫向不穩(wěn)定燃燒的部分模態(tài)

隔板是橫向高頻不穩(wěn)定的阻尼裝置,如圖2所示。其主要效果是將發(fā)生霧化和蒸發(fā)的區(qū)域分割,提高燃燒室的固有聲頻率,破壞敏感區(qū)域中霧化、蒸發(fā)和混合的過程與腔室聲場之間的耦合[11-12]。另外,由于渦脫落現(xiàn)象以及隔板上的氣流分離,燃燒釋放的能量會有一部分耗散,雖然對推進(jìn)系統(tǒng)的性能有一定影響,但也減小了燃燒過程對熱聲耦合現(xiàn)象的激勵,阻尼效果也隨著渦脫落和流動分離而產(chǎn)生[13]。因此,隔板在抑制高頻不穩(wěn)定的過程中能夠同時影響聲能的增益和阻尼。

圖2 隔板結(jié)構(gòu)和隔板在燃燒室中的位置[14]

2 隔板分類

2.1 實體隔板

實體隔板是最早應(yīng)用的隔板種類,其具體形式是在噴注面上通過焊接的方式加入一些具有一定形狀和高度的金屬片。20世紀(jì)50年代,蘇聯(lián)研制出第1個實體隔板。在隨后的幾十年中,美國在發(fā)動機設(shè)計中廣泛應(yīng)用了隔板結(jié)構(gòu)。表2和圖3中給出了一些典型發(fā)動機的參數(shù)及隔板形式[15]。

表2 典型火箭發(fā)動機的參數(shù) Table 2 Parameters of typical rocket engines[15]

圖3 典型液體火箭發(fā)動機中的隔板形式

在實體隔板的應(yīng)用過程中,其冷卻問題和占據(jù)噴注面積2個主要缺點日益凸顯。隨著液體火箭技術(shù)的發(fā)展,實體隔板逐漸被分區(qū)隔板噴嘴和再生冷卻隔板替代。

2.2 分區(qū)隔板噴嘴

分區(qū)隔板噴嘴,顧名思義,就是將噴注器中的一部分噴嘴延長,使其在燃燒室中伸出更長的距離,從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的實體隔板。美國的航天飛機主發(fā)動機SSME和蘇聯(lián)的RD-120、RD-170均采用這種形式的隔板。

相較于實體隔板,分區(qū)隔板噴嘴用噴嘴代替實體金屬片,變相增加了可用的噴注面積,有助于減少燃燒室直徑;噴嘴中的氧化劑或燃料在噴注過程中也對噴嘴起到了一定的冷卻作用。在抑制熱聲振蕩方面,使用這種形式的噴嘴相較于實體隔板會出現(xiàn)物理間隙,這種噴嘴間的間隙能夠?qū)е抡袷幠芰康暮纳?增強阻尼效果[16-17]。因此,分區(qū)隔板噴嘴成為了目前應(yīng)用比較廣泛的一類隔板。隔板噴嘴結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 隔板噴嘴結(jié)構(gòu)

2.3 再生冷卻隔板

為了解決隔板的冷卻問題,另一種思路是參考發(fā)動機再生冷卻技術(shù),對實體隔板進(jìn)行改進(jìn),也就是再生冷卻隔板。這種隔板的冷卻介質(zhì)與分區(qū)隔板噴嘴相同,均是利用燃料進(jìn)行冷卻。常見的再生冷卻隔板結(jié)構(gòu)如圖5所示[15]。

a,c,e-冷卻液引入點;b,d,f-冷卻液引出點

在工作過程中,一部分燃料從3個入口進(jìn)入,經(jīng)隔板內(nèi)部的溝槽流動,并最終流向3個出口,利用燃料自身相對較低的溫度實現(xiàn)冷卻功能。由于燃料不僅實現(xiàn)了對徑向及周向隔板的冷卻,也在后續(xù)參與了燃燒過程,因此被稱作再生冷卻。

2.4 縱向肋隔板

縱向肋隔板是用于特定工況下的隔板形式。目前只有蘇聯(lián)的聯(lián)盟號運載火箭上的第3級RD-0110發(fā)動機使用[18]。RD-0110是一種液氧煤油火箭發(fā)動機,在開發(fā)和驗收測試期間,出現(xiàn)高頻燃燒不穩(wěn)定性現(xiàn)象,振蕩頻率約為4 kHz,且僅在起動過程中出現(xiàn)[19-20]。出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象時,發(fā)動機現(xiàn)有結(jié)構(gòu)已經(jīng)滿足了工作性能需求,因此需要尋找一種保留現(xiàn)有噴注器設(shè)計和啟動程序的方法。最終提出了一種由易燃材料(如工業(yè)氈)做成,可粘接在燃燒室內(nèi)壁高度適中的縱向肋片狀隔板結(jié)構(gòu)[21]。這種可燃隔板能夠在發(fā)動機啟動初期有效抑制不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象,并在后期燃燒消失,不影響發(fā)動機正常工作階段,肋隔板結(jié)構(gòu)及其在燃燒室中位置如圖6所示。

圖6 肋隔板結(jié)構(gòu)及其在燃燒室中位置 Fig.6 Structure of the rib and its position in combustion chamber

3 隔板阻尼機理

液體火箭發(fā)動機燃燒最劇烈也是最容易發(fā)生燃燒不穩(wěn)定性的區(qū)域是在靠近推進(jìn)劑噴注面的區(qū)域[22],而隔板安裝和起到阻尼作用的位置也在此。由于在噴注面附近劇烈而復(fù)雜的燃燒反應(yīng)和高壓高溫的極端環(huán)境,早年間對于隔板作用機理的研究進(jìn)展較為緩慢。目前,主流的隔板阻尼機理有以下3種[23-24]:① 改變?nèi)紵衣晫W(xué)特性,如振蕩頻率和波形;② 限制隔板葉片之間流體的非定常流動;③ 通過渦脫落和氣流分離等流動過程耗散能量、抑制振蕩。對于分區(qū)隔板噴嘴來說,特有的噴嘴間隙會帶來額外的阻尼效果,其主要原因是相鄰的噴嘴在它們的間隙位置處產(chǎn)生了邊界層,邊界層內(nèi)的粘性力導(dǎo)致了聲能的耗散[17]。

Crocco在1969年提出了關(guān)于隔板機理的幾點假設(shè)[25]:① 隔板通過限制橫向速度分量和噴注面附近混合區(qū)的相關(guān)位移來減小燃燒不穩(wěn)定性的增益;② 隔板的存在阻礙了氣流的通過,最終造成了氣流分離和能量耗散;③ 腔室?guī)缀涡螤畹母淖儗?dǎo)致了腔室頻率的改變,當(dāng)燃燒不穩(wěn)定性的耦合過程對頻率敏感時,通過特定結(jié)構(gòu)的隔板使腔室聲頻率遠(yuǎn)離敏感頻率范圍,就會起到阻尼作用。另外,Crocco還提出了一個隔板設(shè)計的關(guān)鍵性結(jié)論:葉片數(shù)為奇數(shù)相較于偶數(shù)具有更好的阻尼效果。Crocco使用的幾種隔板形式如圖7所示。

圖7 Crocco使用的幾種隔板形式

Combs等[26]提出了2種關(guān)于隔板增加燃燒室中聲阻尼的假設(shè):一是認(rèn)為振蕩的能量被隔板頂端的渦流耗散掉;另一種則認(rèn)為隔板對流經(jīng)此處的流體產(chǎn)生阻力,從而增加振蕩能量的耗散。這2種假設(shè)從流體運動的角度出發(fā),考慮了渦流、阻力和粘性耗散的效果。Reardon等[1]在研究中也提出了流場相關(guān)的觀點,他們認(rèn)為在噴注過程對速度或位移有較強敏感性的情況下,隔板對橫向振蕩流的保護(hù)作用占主導(dǎo)地位。

由于高頻燃燒不穩(wěn)定的激勵機制與聲學(xué)密切相關(guān),有許多研究者針對隔板改變?nèi)紵衣晫W(xué)特性從而抑制不穩(wěn)定這一課題開展了大量研究[27-34]。利用數(shù)值計算的方法,研究人員分別證實了隔板降低燃燒室內(nèi)頻率以及改變聲波波形的猜想[35-36]。

關(guān)于液體火箭發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定性的研究,大部分是在20世紀(jì)70年代早期之前取得的,美國和蘇聯(lián)在這一時期進(jìn)行了大量工作[37-38]。但至今在基礎(chǔ)理論方面的研究相對較少[39]。不過得益于數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展,一系列的猜想通過CFD技術(shù)進(jìn)行了驗證。

Danning You和Vigor Yang進(jìn)一步細(xì)化了隔板阻尼機制的范圍。基于如圖8所示的發(fā)動機結(jié)構(gòu),仿真結(jié)果表明,主燃區(qū)域(無隔板區(qū)域)中的橫波在隔板隔間內(nèi)轉(zhuǎn)為縱向的,如果噴注器面附近的流動與燃燒過程對壓力的橫向變化敏感,這可以使燃燒與振蕩運動分離;隔板間的速度受到嚴(yán)重限制,較大的速度值和大的速度變化量均發(fā)生在隔板的下游。而聲速對燃燒過程有很大影響,例如霧化過程、局部混合比和相鄰噴注器元件的相互作用都對速度變化敏感,這一現(xiàn)象在噴注器面附近尤其明顯(一般是距離噴嘴2～3 mm的位置)[27]。

圖8 Danning仿真所用的帶隔板燃燒室[11]

值得注意的是,隔板結(jié)構(gòu)不僅對燃燒不穩(wěn)定性現(xiàn)象有阻尼效果,在特殊結(jié)構(gòu)下,也存在增益效果。Quinlan等[40]于2009年發(fā)現(xiàn)無粘性隔板結(jié)構(gòu)使推進(jìn)系統(tǒng)更易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。Danning等[27]也發(fā)現(xiàn)隔板存在至少一種可能激發(fā)不穩(wěn)定燃燒的因素,例如噴注面附近聲壓的集中。Kirkpatrick[41]通過仿真發(fā)現(xiàn),與無粘性的隔板相比,粘性隔板導(dǎo)致的能量耗散提高了系統(tǒng)整體的燃燒穩(wěn)定性,進(jìn)一步證實了粘性耗散是隔板阻尼的主要機理之一。

Lioi、Vigor Yang等[42]對富氧的分級燃燒室的主燃燒室進(jìn)行了全面的線性聲學(xué)分析,采用的理論基礎(chǔ)是聲波方程導(dǎo)出的守恒方程,物理模型是RD-170的主燃燒室,考慮了所有幾何結(jié)構(gòu)的影響,其中包括隔板噴嘴對燃燒室聲學(xué)特性的影響。通過文中建立的理論方程展開了數(shù)值計算,并對有無隔板的計算結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,隔板的加入降低了振蕩的頻率,并導(dǎo)致噴注器面附近出現(xiàn)了聲壓的集中和聲波的縱向化。

國內(nèi)針對隔板的研究集中于2個方向:一類是隔板對燃燒過程的影響,另一類則是隔板的結(jié)構(gòu)尺寸(隔板數(shù)量、隔板分布、隔板長度、隔板厚度等)對聲學(xué)特性的影響,也取得了一系列的研究成果[43-51]。但在針對隔板阻尼機制的研究上,仍有許多空白。

尕永婧[23]使用如圖9所示的燃燒室模型展開CFD仿真研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隔板可以有效抑制燃燒室內(nèi)的高頻壓力振蕩過程,它的作用機理并非消除“振源”,而是通過影響可燃?xì)怏w的局部混合并遮蔽“振源”區(qū)之間的相互耦合作用來降低“振源”的發(fā)聲頻率,或通過與隔板壁面的碰撞來衰減由“振源”產(chǎn)生的“壓力峰”的傳播過程;隔板的加入改變了燃燒室的聲學(xué)特性,增大了激勵燃燒不穩(wěn)定所需的能量,因而能夠抑制高頻燃燒不穩(wěn)定性。

圖9 尕永婧等使用的燃燒室模型[7]

許曉勇等[44]通過CFD技術(shù)模擬了隔板對氫氧推力室不穩(wěn)定燃燒的抑制作用,針對無隔板和一周三徑隔板2種狀態(tài),通過在噴嘴處施加流量擾動模擬不穩(wěn)定燃燒的壓力振蕩。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),帶隔板后壓力振幅從無隔板狀態(tài)的17.4%降低到7.4%,預(yù)測了隔板對燃燒振蕩的抑制作用,其機理為增加隔板后推力室的一階切向聲學(xué)振型發(fā)生改變,從而對一階切向振型的阻尼能力改變。

文獻(xiàn)[52]對液氧煤油火箭發(fā)動機當(dāng)中的隔板噴嘴和實體隔板的阻尼性能進(jìn)行了研究和比較。對液體火箭發(fā)動機的高頻不穩(wěn)定燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了高頻不穩(wěn)定燃燒的機理。結(jié)果表明,壓力與熱釋放是同步振蕩的,符合瑞利準(zhǔn)則;隔板噴嘴能夠完全抑制壓力振蕩,而其他2種實體隔板則不能。認(rèn)為隔板噴嘴的額外阻尼效果來源于相鄰2個噴嘴之間的粘性耗散,噴嘴間隙為0.2 mm時可獲得最佳阻尼效果。

綜上所述,在20世紀(jì)70年代前后,針對隔板與燃燒不穩(wěn)定問題的基礎(chǔ)理論研究取得了重要突破。隨著計算機技術(shù)與計算流體力學(xué)理論的發(fā)展,使得對流動、燃燒等復(fù)雜過程的數(shù)值仿真成為了可能,也使得針對高頻不穩(wěn)定與隔板阻尼機制的研究重新獲得了關(guān)注。

4 隔板結(jié)構(gòu)設(shè)計

早期的隔板設(shè)計缺少理論支撐,因此極度依賴于熱試車。美國F-1液氧煤油火箭發(fā)動機為了解決高頻的燃燒不穩(wěn)定問題,針對噴注系統(tǒng)和隔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了2 000次以上的全尺寸熱試車[21]。這種方式極度耗費財力物力,也說明對隔板結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行研究是十分必要的。

針對隔板的設(shè)計,不同的設(shè)計參數(shù):葉片高度、葉片數(shù)量、葉片長度、葉片厚度、隔板的對稱性等都需要單獨進(jìn)行分析。

4.1 葉片數(shù)量

隔板的特性在很大程度上取決于其改變?nèi)紵衣晫W(xué)特性的能力,因此隔板葉片的數(shù)量主要取決于對應(yīng)的燃燒室結(jié)構(gòu)最容易觸發(fā)的聲振模態(tài)。具有奇數(shù)個葉片(單個葉片除外)的隔板,對小于該葉片數(shù)的聲模態(tài)都有很好的抑制效果。這是一個簡化隔板布置所需的最小葉片數(shù)原則[1]。不同數(shù)量的葉片以及對應(yīng)的振蕩模態(tài)如圖10所示。

圖10 不同數(shù)量的葉片以及對應(yīng)的振蕩模態(tài)[1]

有相關(guān)研究證明,針對某一特定振型,提高隔板的葉片數(shù)目,聲壓振蕩的衰減率會隨之提高[41]。但隔板葉片數(shù)目的提高會增加推進(jìn)系統(tǒng)的整體質(zhì)量,在實際應(yīng)用中,應(yīng)盡量采取較少的葉片數(shù)來滿足阻尼需求。葉片數(shù)量對振蕩衰減率的影響如圖11所示。

圖11 葉片數(shù)量對振蕩衰減率的影響[1]

馬列波等[53]為了分析隔板片數(shù)量對燃燒不穩(wěn)定性的影響,采用歐拉-拉格朗日方法對液體火箭發(fā)動機燃燒室內(nèi)的兩相燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:無隔板時最大壓力振蕩幅值達(dá)到了燃燒室平均室壓的20%,在1輪轂3徑向、1輪轂4徑向及1輪轂6徑向等3種工況下,隔板均能對無隔板工況下燃燒室中存在的高頻不穩(wěn)定燃燒進(jìn)行抑制,燃燒室內(nèi)最大壓力振蕩幅值分別降為平均室壓的4.5%、5%和5%。在影響燃燒室內(nèi)壓力振蕩劇烈程度的3種因素中,壓力擾動是否全部處于隔板影響區(qū)域之內(nèi)起到的作用最大,壓力振蕩與釋熱波動之間的相位耦合程度起到的作用次之,壓力擾動的強度起到的作用最小。

4.2 葉片高度

葉片高度指的是隔板葉片沿徑向延伸的距離。從目前的研究來看,隨著葉片高度的提高,一階切向模態(tài)的振幅逐漸減小,但其他模態(tài)的振幅會隨之增大[40]。在實際應(yīng)用當(dāng)中,由于隔板存在冷卻問題,隔板的高度不宜過高。圖12和圖13分別展示了試驗中使用的不同高度隔板和隔板高度對一階切向模態(tài)振幅的影響。

圖12 不同高度的隔板葉片[40]

圖13 隔板葉片高度對一階切向模態(tài)的影響[40]

4.3 葉片長度

葉片長度指的是隔板葉片從噴注面向噴管方向延伸的距離。如圖14所示,隨著葉片長度的提高,切向振型的頻率和振幅都會隨之下降,其主要機制為切向振型的縱向化,且縱向化趨勢隨葉片高度的增加而加劇[54-55]。不考慮其他因素時,可以認(rèn)為隔板葉片越長,阻尼效果越好。但在應(yīng)用過程中,過長的隔板將可能帶來復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和冷卻問題。

圖14 隔板葉片長度對1L/1T/2T模態(tài)聲頻率的影響[3]

針對葉片長度對阻尼效果的影響,也有研究者提出了不同看法。樊曉波[55]利用三維模型展開了有限元分析,證明隔板長度的增加會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動與聲模態(tài)的耦合,使得燃燒室腔內(nèi)的聲壓頻響在低頻的振幅增大,說明了隔板的長度不宜過長。尕永婧利用圖9所示的燃燒室模型探究了隔板葉片長度對不穩(wěn)定燃燒的影響。本文中利用長度分別為3、6、10 cm的隔板進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖15所示,發(fā)現(xiàn)10 cm的隔板室中存在壓力波的橫向傳播,從而證明了葉片長度并非越長越好,而是存在一個最佳長度區(qū)間[7]。

圖15 燃燒室內(nèi)壓力波的傳播(10 cm隔板)[7]

4.4 葉片厚度

葉片厚度對燃燒室聲學(xué)的影響相對較小。曹晨等[3]通過數(shù)值仿真的方式,發(fā)現(xiàn)增大隔板葉片的厚度,一方面會減小燃燒室氣體體積,導(dǎo)致聲學(xué)頻率的提高,另一方面由于隔板阻礙了聲波的直接傳播,從而降低了聲學(xué)頻率,隔板厚度對聲學(xué)的效果是這2個方面共同作用的效果。對于低階振型,兩者效果相當(dāng),對于高階振型,聲學(xué)頻率降低的效果更為顯著。

4.5 隔板的對稱性

20世紀(jì)70年代左右,在美國曾有過隔板對稱性對阻尼效果影響的研究。有試驗證明使用非對稱隔板具有更好的燃燒穩(wěn)定性,他們認(rèn)為,不對稱放置的隔板將在更寬的頻率范圍內(nèi)“分散”產(chǎn)生的能量[56]。然而,后續(xù)的一些研究發(fā)現(xiàn),相同葉片數(shù)的非對稱隔板和對稱隔板在各種噴嘴的總體穩(wěn)定性特性方面沒有顯著差異[29]。顯然,在隔板對稱性對不穩(wěn)定燃燒的確切機理確定之前,還需要進(jìn)行更多的研究工作。

4.6 噴嘴間隙

噴嘴間隙對燃燒不穩(wěn)定性現(xiàn)象也具有一定的抑制效果。研究發(fā)現(xiàn),存在一個最優(yōu)噴嘴間隙使聲阻尼最大。Lee等[57]通過實驗和仿真的方式確定并驗證了最佳的噴嘴間隙在0.1～0.2 mm。

李敬軒[58]通過COMSOL數(shù)值仿真方法,從聲能耗散角度研究了熱粘性效應(yīng)下不同隔板噴嘴間隙、直徑、頻率對聲能耗散的影響規(guī)律。結(jié)果表明,熱粘性在隔板噴嘴吸聲中起到關(guān)鍵性作用;存在最佳隔板噴嘴間隙,使得隔板噴嘴的吸聲效果最好;隨著隔板噴嘴直徑的增加,最佳聲能耗散呈現(xiàn)遞減趨勢,最佳隔板噴嘴間隙呈現(xiàn)遞增趨勢;隨著聲波頻率的增加,最佳聲能耗散和最佳隔板噴嘴間隙均呈現(xiàn)遞減趨勢。隔板噴嘴聲學(xué)系統(tǒng)如圖16所示。

圖16 隔板噴嘴聲學(xué)系統(tǒng)[10]

在后續(xù)研究中,李敬軒[10]通過試驗證明:對于給定的噴嘴間隙,其最大聲吸收率與擾動頻率、噴嘴直徑、環(huán)境溫度、環(huán)境壓力相關(guān)。為便于對最佳噴嘴間隙進(jìn)行分析和設(shè)計,提出了標(biāo)準(zhǔn)化最小間隙和標(biāo)準(zhǔn)化頻率St,指出當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化頻率St>0.1時,能實現(xiàn)最大聲吸收率的標(biāo)準(zhǔn)化最小間隙為恒定值1.7,這與擾動頻率、噴嘴直徑、環(huán)境溫度、環(huán)境壓力等無關(guān)。

5 結(jié)論

截止目前,許多火箭型號當(dāng)中存在的燃燒不穩(wěn)定問題依靠隔板得以解決。國內(nèi)外針對液體火箭發(fā)動機中隔板的作用機理、結(jié)構(gòu)形式等進(jìn)行了廣泛的研究,也取得了一些進(jìn)展。然而,由于燃燒室內(nèi)的復(fù)雜性以及熱聲耦合的機理尚不明確,關(guān)于隔板抑制不穩(wěn)定燃燒的確切機理仍沒有統(tǒng)一的答案。基于上述問題,本文提出以下幾點展望:

1) 關(guān)于隔板噴嘴的最優(yōu)隔板型式以及噴嘴高度的研究相對較少,隔板噴嘴的設(shè)計工作缺乏理論指導(dǎo);

2) 推力調(diào)節(jié)過程中工況參數(shù)對有隔板結(jié)構(gòu)的推力室聲學(xué)特性的影響尚不明確,需要進(jìn)一步開展相關(guān)研究;

3) 隔板的設(shè)計缺乏系統(tǒng)方案,很大程度上依賴于大規(guī)模熱試車試驗,如何提高仿真的可靠性和準(zhǔn)確性,并將仿真與試驗有機結(jié)合將是隔板應(yīng)用研究的關(guān)鍵;

4) 隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展,CFD數(shù)值仿真技術(shù)將成為研究隔板問題的重要途徑之一,結(jié)合理論研究和實驗驗證,理解隔板阻尼作用的確切機理是未來隔板技術(shù)發(fā)展和成熟應(yīng)用的關(guān)鍵所在。