低溫氫氣混合器技術研究

孫 德，李培昌，馮 飛，王建宇

（1. 北京航天試驗技術研究所，北京，100074；2. 北京市航天試驗技術與裝備工程技術研究中心，北京，100074）

0 引 言

流體混合器按混合的物理過程可分為動態混合器、引射混合器和靜態混合器3種。靜態混合器是在管道內部加入促進混合的元件如葉片等的一種高效混合設備，具有結構簡單、工作可靠、應用范圍廣的特點[1]。國外從20世紀30年代開始對各種靜態混合器進行研究[2～6]。

靜態氫氣混合器是一種在航天領域有重要應用的混合器，Blumenthal采用CFD技術分析了航天飛機主發動機的氫混合器，通過控制變量法得到最佳設計[7]；Richter等基于Matlab軟件對斯坦尼斯航天中心試驗臺的氫氣混合器進行了仿真和試驗研究，得到混合器的數學模型并進行了驗證[8]；佘喜春等設計了一種應用于石油化工行業的氫氣混合器，用于氫氣與原料、催化劑等均勻混合[9]；孫萬明等發明了一種用于航天試驗領域的層板式高壓低溫氣氫混合器，但由于內部結構復雜，其在大流量混合狀態下的流阻較大[10]。

本文基于CFD平臺，設計了一種用于航天試驗領域的靜態低溫氫氣混合器，并對其混合情況進行了數值模擬及試驗驗證，結果表明混合器結構設計達到預期效果，液氫與氣氫得到充分摻混，混合器流阻小于0.1 MPa，該混合器圓滿解決了某類火箭發動機試驗中對大流量低溫氫氣的需求。

1 混合器設計

本文研究的目的是設計出一種混合效果好、壓降損失低的混合器，以解決某型號試驗中大流量低溫氫氣的制取問題。本次設計采用靜態螺旋式混合器，其結構和外形如圖1所示。由圖1可知，混合器有一個液氫入口、一個常溫氣氫入口、一個低溫氣氫出口和一個清洗排放口。混合器的混合組件由液氫入口的起旋器和混合器內的引流混合單元組成。

圖1 混合器結構示意Fig.1 Structure of the Mixer

流體在入口處被起旋器分割成兩股，起旋器后為微擴張的帶孔錐筒，起旋后的兩股液氫通過錐筒減速擴散；氣氫從側壁入口進入混合器腔體，在正對入口的錐筒的下游設置了擋板以達到均勻流動的目的，同時氣氫通過錐筒上的孔進入錐筒與液氫初步摻混。隨后流體進入混合器內的混合單元，該單元對流體的混合作用主要為對流體進行軸向的分流及徑向的混合。

混合器內置3個混合單元，流體經過混合單元時被強制旋流并均勻分成兩股旋轉方向相反的流體。如果流體流經n個混合單元，葉片切割流體n次，使得流體被切割的層數増加至 S=2n，因此流體流經的混合單元數越多，其混合效果越好。

2 流場及溫度數值模擬

本文利用Fluent對混合器內的混合過程進行了數值模擬，將模型劃分為四面體結構網格，對流項差分格式采用二階迎風格式。進口邊界采用質量流量進口，出口邊界采用壓力出口，管外壁以及管內靜態混合單元部分設置為無滑移壁面。湍流模型采用標準的k-ε模型，分離求解器求解，耦合壓力場采用Simple算法。計算參數如表1所示。

表1 計算參數Tab.1 Calculation Parameter

數值模擬結果如圖2～7所示，取3個截面進行數據分析，分別為中心截面和軸向截面，具體位置如表2所示。

表2 分析剖面坐標及位置Tab.2 Coordinates and Location of the Section

混合器內速度矢量云圖如圖2所示。由圖2可知，液氫在起旋器后分成兩股并順時針旋轉，同時氣氫密度小、流速快，在進入混合器繞流液氫擴張錐筒的同時從小孔流入錐筒并與液氫發生摻混。經過下游的混合單元時，混合氫被不斷強制旋轉和分割，同時由于混合單元后漩渦的存在，促進了不同溫度氫的混合。

圖2 混合器內三維速度矢量云圖Fig.2 Velocity Vector Diagram in Mixer

中心截面溫度及壓力分布如圖3所示。由圖3可知，氣氫及液氫在經過液氫擴張段的初步摻混后，混氣溫度范圍約為100～180 K；再經過三級混合單元充分摻混及熱交換后，溫度分布基本均勻，約120～121 K，出入口流阻約為0.02 MPa。

圖3 中心截面溫度場及壓力場分布云圖Fig.3 Distribution of Temperature Field and Pressure Field Central Section

2個軸向截面溫度壓力分布如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，隨著軸向距離逐步增加，截面的溫度、壓力分布逐漸趨于均勻，在出口前10 mm截面溫度已達到120 K，截面內溫差小于1 K；壓力為15 MPa，截面內壓差小于0.01 MPa

圖4 氣氫進口截面溫度壓力分布云圖（Z=230mm）Fig.4 Distribution of Temperature and Pressure Cross-section of the Gas Hydrogen Inlet(Z=230mm)

圖5 氣氫出口截面溫度壓力分布云圖（Z=1350mm）Fig.5 Distribution of Temperature and Pressure Cross-section of the Gas Hydrogen Outlet(Z=1350mm)

數值計算結果表明，混合器出口截面上的溫差不大于±1.5 K，流阻損失小于0.1 MPa，表明混合器內部流體經過不斷地分流、撞擊、旋轉、合流等過程，已經充分摻混，達到了預期的設計目的。

3 試驗驗證

根據數值模擬結果，對混合器進行了結構設計，并進行了多種工況的試驗驗證。

試驗工況1的設計混合溫度為70 K，低溫氫流量為1.828 kg/s，出口壓力為10.5 MPa；

試驗工況2的設計混合溫度為95 K，低溫氫流量為1.72 kg/s，出口壓力為11.1 MPa；

試驗工況3的設計混合溫度為100 K，低溫氫流量為1.046 kg/s，出口壓力為6.4 MPa。

混合器出入口的壓差小于0.1 MPa，可認為其混合過程為定壓過程。混合器單位時間內流入質量與流出質量相同，可認為混合器內流體總質量保持不變，混合器內部為閉口系統，根據閉口系統能量方程及定壓過程系統功的變化可以得到：

由焓的定義：

聯合導出定壓過程中：

式中 Qp為系統與外界的熱量交換；U為系統內能；P為系統壓力；V為系統體積；H為系統焓值，即閉口系統定壓過程中與外界的熱量交換為系統焓的變化。

本系統中混合器外有聚氨酯發泡絕熱，混合時間又極短，可認為混合過程為絕熱過程，因此與外界的熱量交換為零，即混合過程系統的焓變為零，據此可以計算得出混合后低溫氫氣的溫度。根據試驗工況的設計參數，可以得到每種工況下混合器的工作參數，結果如表3所示。

表3 混合器工作參數Tab.3 Working Parameters of the Mixer

按照表2中的計算結果設置了混合器入口液氫與氣氫的各項參數，進行了試驗驗證，得到3種工況下的混合器壓力曲線，如圖6所示。

圖6 混合器入口與出口壓力特性曲線Fig.6 Inlet and Outlet Pressure Curve of the Mixer

從圖6中可以看出，在3種不同工況下，混合器入口與出口壓差均小于 0.1 MPa，達到預期的設計目標。

混合器出口溫度特性如圖7所示。

圖7 混合器出口溫度特性曲線Fig.7 Temperature Curve of the Mixer Outlet

續圖7

從圖7可以看出，混合器出口溫度在試驗開始7 s后逐漸平衡，維持在穩定范圍內，波動較小，表明混合器內流體混合狀態穩定。工況1出口溫度約為71 K，工況 2出口溫度約為 94.5 K，工況 3出口溫度約為100.5 K。試驗測量的混合溫度與設計溫度基本一致，最大誤差為1.4%，表明混合器內的流體混合均勻，達到了預期的效果。不同工況的溫度及誤差如表4所示。

表4 不同工況溫度及誤差Tab.4 Temperature of Different Working Conditions and the Errors

4 結 論

本文基于CFD平臺，對設計的低溫氫氣混合器內的流體混合情況進行了數值模擬，得到混合器內的流場及溫度分布。模擬結果表明，混合器結構設計達到預期效果，液氫與氣氫得到充分摻混，混合器壓力損失小于0.1 MPa。經過不同工況的試驗驗證，得到了混合器的進出口壓力曲線及出口的溫度曲線，與數值計算進行了比對，結果表明混合器摻混效果良好，氣氫與液氫達到充分混合，達到預期設計效果，可以滿足試驗中大流量低溫氣氫制取的需求。