氫氧火炬式電點火器燃燒流動分析

2019-07-11 07:22:54楊進慧王朝暉左安軍丁兆波孫紀國

導彈與航天運載技術 2019年3期

楊進慧，王朝暉，左安軍，丁兆波，孫紀國

（北京航天動力研究所，北京，100076）

0 引言

21世紀以來，運載器的可重復使用、大推力已成為航天領域新的發(fā)展趨勢，對點火次數(shù)、點火能量、燃燒產(chǎn)物的潔凈度等點火技術提出了新的要求。火炬式電點火器因點火能量高、易于多次啟動、結構簡單、便于維護等特點已廣泛應用于氫氧火箭發(fā)動機，如美國的RL-10系列發(fā)動機、J2發(fā)動機、航天飛機主發(fā)動機[1～3]，歐洲的Vinci發(fā)動機，日本的LE系列發(fā)動機，俄羅斯的RD-0120發(fā)動機等。中國在氫氧火炬式電點火器方面已取得初步成果，但仍未應用，需要對其燃燒規(guī)律及熱防護性能開展進一步的研究[4～8]。

火炬式電點火器工作在發(fā)動機的啟動段，負責點燃進入燃燒裝置內(nèi)的推進劑，電點火器進口參數(shù)在啟動段變化劇烈并且范圍較大，電點火器內(nèi)混合比分布極不均勻，燃燒流場規(guī)律復雜。一方面要確保電點火器點火可靠、燃燒穩(wěn)定；另一方面要保證電點火器內(nèi)壁與火花塞不被燒蝕。本文主要研究氫氧噴注距離、混合比、電點火器背壓等因素對氫氧火炬式電點火器燃燒流動及熱防護的影響。

1 數(shù)學物理模型

計算用點火器結構如圖1所示。

圖1 火炬點火器結構示意Fig.1 Torch Igniter Structure

由圖1可知，液氧入口位于點火器頭部，采用雙股自擊式直流噴嘴。液氫通過4個切向孔噴嘴進入點火器，一方面參加燃燒，另一方面形成液膜，保護火花塞和電點火器內(nèi)壁不被燒蝕。火花塞位于氫氧噴嘴之間，且插入平面與氧噴注平面垂直，點火區(qū)的局部高混合比能夠保證可靠點火[6]。

采用混合網(wǎng)格技術進行網(wǎng)格劃分。為減少網(wǎng)格數(shù)量同時保證計算精度，氫氧噴嘴及附近結構采用四面體加密網(wǎng)格進行劃分，身部采用三棱柱網(wǎng)格進行劃分，如圖2所示。氫氧入口設置為質(zhì)量流量入口，燃氣出口為壓力出口，壁面為無滑移絕熱壁面。采用真實氣體非預混燃燒模型評估燃燒流動情況，湍流采用標準k-ε湍流模型封閉方程組，近壁區(qū)域用標準壁面函數(shù)法進行處理。

圖2 點火器網(wǎng)格劃分示意Fig.2 Igniter Mesh

2 模型準確性驗證

選取氫氧火炬式電點火器兩次故障點火工況進行仿真模型驗證，兩次試驗所用點火器內(nèi)徑相同，工況參數(shù)如表1所示。由表1可知，工況1與工況2氫氧混合比接近，氫氧噴注距離和背壓存在較大差別。

表1 氫氧火炬式電點火器試驗參數(shù)Tab.1 Experiment Parameters of Hydrogen-oxygen Torch Igniter

工況1和工況2的氫質(zhì)量百分比分布如圖3所示。由圖3可知，兩股液氧撞擊后在火花塞插入平面充分霧化，形成中心富氧區(qū)；液氫沿切向孔進入點火室后小部分向頭部流去，與液氧摻混燃燒，大部分形成液膜沿壁面向下游流去。由于液膜存在切向速度，故而圖3中液氫沿周向呈鋸齒分布。

圖3 電點火器壁面氫質(zhì)量百分比分布云圖Fig.3 Mass Fraction of H2Distribution on Igniter Wall

工況 1與工況 2電點火器壁面燃氣溫度分布如圖4所示。由圖4可知，工況1壁面燃氣最高溫度超過1800 K，且出現(xiàn)在火花塞插入部位附近，火花塞存在燒蝕風險，而氧噴注面附近燃氣溫度最高1300 K，能夠保證氧噴嘴熱防護要求，與試驗中火花塞燒蝕相符；工況2靠近氧噴嘴區(qū)域燃燒增強，氫冷卻效果變差，氧噴注面附近燃氣溫度增加，最高可達1800 K；火花塞插入部位的液氫膜均勻，不存在局部高溫，故而火花塞能夠滿足熱防護要求，與試驗中氧噴嘴燒蝕相符。

圖4 電點火器壁面燃氣溫度分布云圖Fig.4 Gas Temperature Distribution on the Wall of Electric Igniter

通過工況1、工況2仿真分析與試驗結果對比驗證了仿真模型的可靠性，下面就不同設計參數(shù)對點火器內(nèi)燃燒流動及熱防護的影響規(guī)律進行研究。

3 仿真結果及分析

3.1 氫氧噴注距離對點火器燃燒流場的影響

研究選取了ratioL 為1.44，1.63和1.81 3種點火器氫氧噴注距離，點火器流量、背壓均采用工況1。對比發(fā)現(xiàn)，隨著氫氧噴注距離增大，點火器頭部冷卻氫流量減小（見圖5），中頭部壁面溫度急劇升高（見圖6），火花塞及氧噴注面局部最高溫度從 1300 K可升至3000 K以上，但同時點火器身部冷卻氫流量增加，燃燒面后移，故而身部壁面溫度有所下降，從860 K降至570 K，相同點火器長度下出口燃氣平均溫度下降。

綜上所述，相同工況下氫氧噴注距離越近，越有利于點火器頭部及火花塞熱防護，但點火器身部壁面溫度升高，設計時需根據(jù)點火器及導火管長度綜合權衡頭部與身部的熱防護效果選取氫氧噴注距離。

圖5 不同氫氧噴注距離點火器壁面氫質(zhì)量百分比分布云圖Fig.5 Mass Fraction of H2Distribution on Igniter Wall with Different Hydrogen-oxygen Injection Distance

圖6 不同氫氧噴注距離點火器火花塞插入平面壁面溫度分布曲線Fig.6 Wall Temperature with Different Hydrogen-oxygen Injection Distance

3.2 氫氧混合比對點火器燃燒流場的影響

選取0.8，1.16和1.5 3種氫氧混合比研究其對點火器燃燒熱防護的影響規(guī)律，如圖7、圖8所示，氫氧總流量、背壓及點火器幾何結構均采用工況1。

圖7 不同氫氧混合比點火器壁面氫質(zhì)量百分比分布云圖Fig.7 Mass Fraction of H2Distribution on Igniter Wall with Different Mixture Ratio

由圖7可知，隨著混合比升高，點火器內(nèi)燃燒更為充分，中心燃氣溫度升高，點火器頭部和身部氫流量明顯減少，熱防護難度增加。

圖8 不同氫氧混合比點火器火花塞插入平面壁面溫度分布Fig.8 Wall Temperature with Different Mixture Ratio

由圖8可知，氫氧混合比從0.8升至1.5后，頭部最高溫度從600 K升至2500 K，高溫區(qū)向氧噴嘴方向移動，身部最高溫度從520 K升至685 K，出口燃氣平均溫度明顯升高。

綜上所述，氫氧混合比過高將直接導致火花塞及氧噴嘴燒蝕，在點火能量[9]及點火極限[5]允許范圍內(nèi)，應盡量降低火炬式電點火器的氫氧混合比，確保其可靠工作。

3.3 背壓對點火器燃燒流場的影響

點火器背壓2 MPa、4.2 MPa和6 MPa條件下點火器壁面溫度及氫流量分布如圖9、圖10所示，氫氧流量及點火器幾何結構均采用工況1。

圖9 不同背壓點火器壁面氫質(zhì)量百分比分布云圖Fig.9 Mass Fraction of H2Distribution on Igniter Wall with Different Back Pressure

由圖9可知，隨背壓升高，點火器頭部隨著背壓升高燃燒更為充分，頭部氫流量略有減少，故而高溫區(qū)向氧噴嘴方向移動，但點火器出口燃氣溫度變化不大。由于氫入口壓力增加，氫流速增加，頭部冷卻氫周向分布隨背壓增加發(fā)生改變，故而圖 10中 6 MPa背壓下點火器火花塞噴注平面不是燃氣溫度最高部位。圖9中冷卻氫流量最少部位溫度最高約1900 K，略高于背壓4.2 MPa點火器工況。綜上，點火器背壓對燃燒流場的影響小于混合比及氫氧噴注距離對燃燒流場的影響。