燃氣發生器噴注面燒蝕問題數值仿真研究

孔維鵬，丁兆波，潘 亮

（北京航天動力研究所，北京，100076）

0 引 言

燃氣發生器是液氧/液氫火箭發動機中非常重要的部件。國內外研究人員采用試驗的方式對液氧/液氫燃氣發生器的燃燒效率[1]、燃燒穩定性[2]、噴注器對燃燒的影響[3]等進行了較為深入的研究；文獻[4]在燃氣發生器氫腔均勻性改進設計中采用了數值仿真的方法對氫腔的流動進行了模擬，對均流方案的篩選提供了有力支撐。在液氧/液氫發動機推力室燃燒過程的研究中，數值仿真方法已得到廣泛應用。文獻[5]研究了湍流噴霧模型對氫氧發動機燃燒仿真的影響；文獻[6]、文獻[7]對氫氧發動機的燃燒穩定性進行了數值模擬；文獻[8]提出了一種氫氧湍流兩相燃燒仿真模型。

針對氫氧燃氣發生器燃燒過程，文獻[9]的研究結果表明數值仿真方法能夠有效地應用于氫氧燃氣發生器燃燒過程中；文獻[10]采用PISO算法對氫氧燃氣發生器的點火啟動過程進行了瞬態數值仿真，化學反應模型采用考慮6組分7步反應的渦耗散概念模型，成功捕捉到燃氣發生器的點火界面。

某液氧/液氫發動機燃氣發生器在試車過程中噴注面多次出現燒蝕，燒蝕區域周向位置位于氫噴嘴之間，如圖1所示，但每次試車后燒蝕所對應的氫噴嘴不固定，具有隨機性。本文對噴注面燒蝕的原因進行了數值仿真研究，通過對氧噴嘴不同噴霧角、噴霧角不均勻以及噴霧液膜局部缺失狀態下的燃燒流場進行數值仿真，得到不同狀態下噴注面附近的流場分布，從而得出造成噴注面燒蝕的原因，并通過噴霧試驗驗證了數值仿真結果，為噴注器的改進提供依據。

圖1 燃氣發生器噴注面燒蝕區域示意Fig.1 Schematic Diagram of Ablation Area on Injection Surface of Gas Generator

1 物理模型和數值方法

燃氣發生器主要由噴注器、預混室、燃燒室等組成，噴注器中心為液氧離心式噴嘴，周圍均勻分布著18個超臨界氫直流式噴嘴，液氧經過噴嘴噴出后霧化蒸發，與超臨界氫在預混室混合后參與燃燒。

燃氣發生器內存在液滴噴射、霧化、蒸發，氣相組分的擴散、混合、氫氧化學反應等各種復雜物理化學過程。為簡化計算，本文對模型進行以下簡化：a）不考慮液氧在氧腔內的流動、液膜的破碎等過程，直接在氧噴嘴出口截面定義液滴的分布；b）不考慮超臨界氫在氫腔內的流動，考慮噴嘴對氫噴射的影響，從氫噴嘴入口截面開始建模；c）不考慮壁面與外界的換熱過程，將壁面簡化為絕熱壁面。簡化后模型如圖2所示。

圖2 燃氣發生器簡化模型示意Fig.2 Schematic Diagram of Simplified Gas Generator Model

1.1 控制方程

燃氣發生器中的混合氣體包括氫氣、氧氣以及反應產物等，氣相流動采用帶化學反應源項和蒸發源項的三維湍流流動的Navier-Stokers方程來描述。

質量守恒方程為

動量方程為

能量方程為

1.2 湍流模型

湍流模型采用標準k-ε模型，該模型已在氫氧火箭發動機湍流燃燒過程仿真中得到廣泛應用，且可在保證精度的前提下減少仿真計算量[11]。近壁區雷諾數較低，采用壁面函數法。

1.3 離散相模型

忽略液氧液膜的破碎等過程，利用離心式噴嘴的流量特性及相關理論，直接在氧噴嘴出口截面定義液滴的尺寸及速度分布，液滴的直徑分布服從Rosin-Rammler分布。液滴軌跡采用Lagrange坐標下的隨機軌道模型：

式中 ρ，ρp分別為氣相和液滴的密度；dp為液滴的直徑；CD為阻力系數；u,up為氣相和液滴的速度矢量。

1.4 化學反應模型

由于燃氣發生器內液氧的蒸發速率很快，因此認為氫氧化學反應速率,irR 由蒸發和化學反應過程共同控制，即：

Ri,EBU采用Spalding提出的湍流預混火焰燃燒模型計算； Ri,Arr按Arrhenius公式計算，考慮氫氧單步化學反應：

2 計算方法及初邊值條件

由于非結構網格對復雜型面具有較好的適應性，本文采用非結構網格，對氫噴嘴、預混室內流場變化比較劇烈的區域以及噴注面附近網格進行了局部加密，網格數目約為373萬，計算網格如圖3所示。

圖3 計算網格示意Fig.3 Schematic Diagram of Computational Grid

求解器采用穩態求解器，求解算法采用SIMPLEC算法。壓力采用二階離散格式，密度、動量方程、氣體組分和能量方程等均采用二階迎風離散格式。

超臨界氫噴嘴入口給定流量、總溫及壓強；出口給定壓力及溫度；壁面采用無滑移條件。

液氧噴嘴采用離散相模型，給定液氧的流量和噴霧角，平均液滴直徑為40 μm，液滴噴射合速度為43.2 m/s。根據噴霧角不同、噴霧角不均勻和噴霧液膜缺失等不同狀態設置了6個不同工況，不同工況的液滴分布設置如表1所示，不同工況之間除噴霧角和液滴分布不同外，其余邊界條件，如氫氧流量、出口壓力、溫度等，均保持一致。

表1 不同工況噴霧角設置Fig.1 Setting of Spray Angle in Different Cases

3 仿真結果及分析

3.1 不同噴霧角對噴注面的影響

燃氣發生器噴注器依靠中心液氧噴嘴噴霧形成的低溫保護膜冷卻，當液氧噴嘴噴霧角發生變化時，會造成燃燒室內流場發生變化，可能會導致對噴注面的冷卻保護不足，從而導致噴注面燒蝕。為研究不同噴霧角狀態下燃氣發生器的燃燒流場以及對噴注面的影響，分別進行了噴霧角為90°、105°和130°的數值仿真計算，分別記為工況A、工況B和工況C。

圖 4為仿真得到的不同噴霧角狀態下對稱面上溫度分布情況。

由圖4可知，當噴霧角發生變化時，燃氣發生器內火焰結構基本不變，出口燃氣平均溫度分別為833.4 K、839.5 K、849.9 K，均與設計出口溫度相當，仿真得到的燃燒室壓力與設計室壓也基本一致，噴霧角發生變化不會對燃氣發生器整體性能造成影響。此外仿真結果也表明，本文所采用的數值仿真方法能夠有效地模擬氫氧燃氣發生器內的燃燒過程。

圖4 對稱面上溫度分布示意Fig .4 Temperature Profile on Symmetrical Surface

續圖4

從圖4可以看出，由于液氧在噴注面附近霧化蒸發吸熱，不同噴霧角狀態下噴注器表面溫度約為200 K，氧液膜均可在噴注器表面形成低溫保護膜，3種狀態下噴注面均不會被燒蝕。

仿真結果表明，當液氧噴霧液膜均勻時，噴霧角的變化不會造成噴注面燒蝕。

3.2 噴霧角不均勻對噴注面的影響

液氧噴嘴噴霧角均勻時可對噴注器表面形成有效保護。而當噴霧角不均勻時，即噴霧角局部偏小或偏大時，液氧噴霧形成的保護膜會出現不均勻現象，有可能會在不均勻區域造成冷卻不足而導致噴注面燒蝕。為研究噴霧角局部偏小或偏大對噴注面的影響，在噴霧角為 105°的基礎上進行了局部 90°和局部130°數值仿真計算，分別記為工況D和工況E。

仿真得到的工況B、工況D和工況E預混室內的溫度分布及流線如圖5所示。

圖5 預混室內噴霧角不均勻面溫度分布及流線示意Fig.5 Temperature Distribution and Streamline of the Premixed Chamber on Non-uniform Spray Angle Surface

續圖5

由圖5a可知，當噴霧角為105°且噴霧均勻時，預混室內在噴注面附近存在回流區，在氧噴嘴噴霧的作用下，低溫氧沿著噴注面向氫噴嘴方向流動，起到保護噴注面的作用；在氫噴嘴附近與超臨界氫摻混后燃燒，產生的高溫燃氣在軸線附近向氧噴嘴方向回流，起到加速液氧蒸發的作用。

由圖5b和圖5c可知，當局部區域噴霧角為90°時，噴注面上不均勻區域平均溫度約為200 K，低溫氧能夠有效保護噴注面。當局部區域噴霧角為130°時，噴注面上該區域平均溫度為435 K，邊緣局部溫度可達2300 K，低溫氧不能對噴注面邊緣起到保護作用。

通過對比預混室內溫度分布可以看出，當局部噴霧角為130°時，在噴注面的邊緣區域出現了高溫燃氣逆流，使得低溫氣體不能保護整個噴注面，在出現逆流的區域出現高溫區，導致該區域可能會出現燒蝕。

3.3 噴霧液膜局部缺失對噴注面的影響

噴霧液膜局部缺失時直接造成噴注面上的保護膜缺失，在液膜缺失區域可能會造成噴注面燒蝕。選取工況B和工況F為液膜完整與局部缺失兩種狀態對比計算。圖6為工況F液膜缺失面預混室內溫度分布及流線。

由圖 6可知，液膜缺失區域低溫氧無法有效覆蓋整個噴注面，高溫燃氣沿噴注面向上逆流，與低溫氧在噴注面中間部位相遇，噴注面上液膜缺失區域平均溫度達到733 K，局部溫度達到3000 K以上，氧液膜失去了對噴注面的保護作用，從而在高溫區域導致噴注器燒蝕。工況F仿真得到的燒蝕區域與試車后的燒蝕區域基本一致。

圖6 預混室內液膜缺失面溫度分布及流線示意（工況F）Fig.6 Temperature Distribution and Streamline of the Premixed Chamber on the Missing Surface of Liquid Film (Case F)

4 試驗驗證

將出現燒蝕與未燒蝕燃氣發生器分別剖切后，對噴注器進行了噴霧試驗，試驗結果如圖7所示。圖7a為未燒蝕的噴注器噴霧試驗，可以看出噴霧液膜均勻。根據仿真結果，均勻的液膜能夠對噴注器表面形成有效保護。而燒蝕的噴注器噴霧液膜有兩道明顯的液絲，液絲中間存在一處液膜缺失區域，如圖7b所示。由仿真結果可知，噴霧液膜缺失區域無法為噴注器提供有效的保護，在此區域回流的高溫燃氣對噴注器表面造成燒蝕。

通過噴注器噴霧對比試驗進一步驗證了數值仿真結果，數值仿真結果與試驗驗證結果為噴注器的改進提供了指導。

5 結 論

本文針對某型號氫氧燃氣發生器試車后噴注面燒蝕問題進行了數值仿真研究，研究結果表明：

a）當氧噴嘴液膜均勻時，對噴注面形成有效保護，噴注面平均溫度約為200 K，噴霧角發生變化不會造成噴注面燒蝕；

b）當噴霧角局部偏小時，氧液膜能夠對噴注面形成有效保護，不會造成噴注面燒蝕；

c）當噴霧角局部偏大時，在噴注面的邊緣不能形成有效保護，會造成噴注面邊緣燒蝕；

d）當氧噴嘴液膜局部缺失時，缺失區域噴注面無法得到有效保護，噴注面溫度達到3000 K以上，會造成燒蝕；仿真得到的燒蝕區域與試車后燒蝕區域基本一致。

通過噴注器噴霧試驗驗證了數值仿真結果。本文研究工作對燃氣發生器噴注器的改進工作具有非常重要的指導意義，改進后的燃氣發生器未再出現燒蝕。