多孔介质冷却通道在燃烧室中的应用

所属分类：经济论文阅读次时间：2020-10-20 10:02

本文摘要：摘要: 为了探索多孔介质冷却通道在液体火箭发动机燃烧室中的应用，采用金属粉末烧结法制备了多孔介质，设计了多孔介质通道的流阻和传热特性测试装置，建立了采用多孔介质冷却通道的燃烧室传热预测模型，对具有不同结构参数的多孔介质进行了研究。结果表明

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　　摘要: 为了探索多孔介质冷却通道在液体火箭发动机燃烧室中的应用，采用金属粉末烧结法制备了多孔介质，设计了多孔介质通道的流阻和传热特性测试装置，建立了采用多孔介质冷却通道的燃烧室传热预测模型，对具有不同结构参数的多孔介质进行了研究。结果表明: 随着孔隙率的增大，多孔介质通道的流阻逐渐减小，换热能力逐渐下降; 基于传热模型的预测结果与试验有一定偏差，最大达到 25% ; 相较铣槽通道，多孔介质冷却通道能够在燃烧室中获得更好的热防护效果。

　　关键词: 多孔介质; 冷却通道; 燃烧室; 强化传热

物理学报

　　0 引言

　　Nofbx 是将氧化亚氮和碳氢燃料预混形成的一种单组元液体推进剂，将其用于液体火箭发动机具有供应系统简单、比冲性能高、易于深度节流、绿色无毒等优点，已经引起国内外研究者的广泛关注[1-4]。

　　但是，Nofbx 是一种燃料和氧化剂预混推进剂，在考虑燃烧室的热防护时，常用的膜冷却方式无法应用，而且也无法通过改变混合比降低边区燃气温度，因此只能通过再生冷却方式来实现燃烧室的热防护。传统的再生冷却通常采用铣槽式结构，但是，在 Nofbx 燃烧室中，缺少了膜冷却的“协助”，铣槽式再生冷却有可能无法满足热防护需要。

　　而相比铣槽通道，填充多孔介质的冷却通道能够进一步有效扩展冷却剂通道的换热面积，而且其特有的弥散效应也能有效提高换热强度[5]，这些特点对于提高推力室热防护性能有明显的积极作用。多孔介质冷却通道应用于发动机燃烧室再生冷却通道的研究尚未见报道，而在其他工程领域，国内外研究人员对于多孔介质的流动和传热特性已经开展了广泛的试验和数值模拟研究[6-15]。

　　例如，王晶钰采用奈升华热质比拟试验方法测量了颗粒无序堆积床内颗粒与流体之间的对流换热系数，从孔隙率对传热的影响出发，对文献换热公式的适用性进行了探讨[6]; 黄寓理对空气、氢气和氦气流过微细多孔介质内部的流动阻力特性进行了试验研究，分析了不同气体在不同颗粒直径条件下摩擦因数与等效雷诺数的关系[7]; 胥蕊娜对空气流过烧结微细多孔介质的流动和对流换热进行了试验研究，分析了颗粒直径、阻力系数和雷诺数的关系，得到了烧结多孔介质内部体积平均对流换热系数[8]。

　　常焕静利用数值模拟的方法对水和幂律流体在多孔介质中的流动和换热影响因素进行了深入研究[9]; Hou 基于计算流体动力学方法对颗粒堆积床内传热现象进行了详细的研究，建立了不采用半经验系数的传热预测模型[10]; 孙得川提出了一种适合于对大量颗粒自然堆积的管道流动进行模拟的数值方法，对不同颗粒直径、进口速度的管道堆积床进行了流动与非定常传热模拟[11]。

　　因此，本文以燃烧室为应用背景，设计了多孔介质冷却通道，以水为模拟介质，采用试验手段研究了多孔介质的流阻和换热特性，同时，借鉴现有有关多孔介质文献的研究成果，建立了采用多孔介质冷却通道的燃烧室传热模型，对多孔介质冷却通道应用于 Nofbx 燃烧室的可行性进行了初步探索。

　　1 多孔介质的制备

　　多孔介质的制备方法包括粉末冶金类方法、铸造类方法、沉积类方法等，根据液体火箭发动机燃烧室冷却需求，选择以紫铜作为多孔介质基材，通过金属粉末冶金烧结法制备多孔介质。制备时先采用筛分器对原料铜粉末进行筛分，然后采用模压成型胚体，再在氢气氛围炉烧结成型，烧结温度为 800 ～ 900 ℃，烧结时间为 60 ～ 100 min，得到孔隙分布均匀的多孔介质。

　　2 试验装置和试验方法

　　2. 1 多孔介质试验段和燃气发生器设计

　　考虑到发动机燃烧室的再生冷却通道的结构形式，因此将试验段设计成圆柱形夹套冷却形式，将多孔介质填充环形冷却通道，同时也便于与常规的铣槽冷却方式进行对比。试验段内径 40 mm，内壁厚度 1 mm，环形冷却通道宽度 2 mm，多孔介质填充长度 50 mm。为模拟燃烧室的高温燃气，设计了一个燃气发生器，为试验段提供热源。受试验条件限制，以空气和煤油为工质，混合比为 15，采用火花塞点火。煤油喷嘴采用气助雾化形式，辅助雾化气体为空气，空气路分为一次空气和二次空气。为了提高试验段的燃气温度均匀性，在发生器出口设置了收缩段，收缩段采用夹套水冷方式进行冷却。

　　2. 2 流阻试验方法

　　使固定流量的水从试验件一端流入、从另一端流出，测量进出口两端的压降获得多孔介质试验段的流动阻力。试验介质采用过滤后的自来水。试验装置包含 1 个质量流量计，2 个压力传感器和 2 个手阀。试验时，先打开下游手阀，然后调整上游手阀开度，待流动稳定后，即可获得该流量对应的流阻。

　　2. 3 传热试验方法

　　以常温水为冷却剂，冷却剂流动方向与高温燃气流动方向相反。冷却剂以挤压方式供应，通过减压阀和一个预先标定好的孔板配合控制冷却剂流量。试验过程中，经过试验段后的冷却剂直接排放至试验间排水槽。在冷却通道内多孔介质前后分别布置热电偶，测量冷却剂在经过多孔介质前后的温度 Tin和 Tout。另外，在外壁面沿流动方向均匀布置了 10 个热电偶，用以监测壁温变化。预计各测点温度均在 200 ℃以下，为保证测温精度，热电偶均选用 T 型。

　　3. 与铣槽冷却通道的对比

　　液体火箭发动机燃烧室外冷却通常采用铣槽形式，为了对比多孔介质与铣槽冷却形式的流阻特性和换热能力，加工了具有铣槽冷却通道的试验段。按照一般的工艺，限制铣槽槽宽和肋宽均不小于 1 mm[20]。据此，根据试验段直径，选择铣槽形式如下: 槽宽 1 mm，槽数 60 条，保持冷却通道高度与多孔介质一致。对具有铣槽冷却通道的试验段进行流阻测试，发现其在各流量工况下流阻约为 1#多孔介质试验段流阻的 1 /30。在相同的燃烧工况条件下进行测试，获得不同流量下的冷却剂温升。

　　铣槽冷却通道的冷却剂温升介于 2# 和 3#多孔介质之间，其换热能力甚至高于 3#多孔介质，可能的原因是: 铣槽试验段的内壁和肋的材质为铬青铜，而前述的多孔介质试验段由于工艺原因，采用的内壁材质为不锈钢，内壁材质的不同对换热能力的比较是有一定影响的，因此严格地说，在本文的试验中无法定量比较多孔介质和铣槽换热能力，但是由于不锈钢的热阻明显高于铬青铜，因此可以预见，1#和 2#多孔介质试验段如果采用铬青铜内壁，冷却剂温升将会进一步提高，这意味着燃烧室采用多孔介质冷却通道，将会获得优于铣槽的热防护效果。

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　　4 结论

　　本文开展了多孔介质冷却通道在燃烧室中的初步应用研究，得到结论如下: 1) 试验进一步验证了多孔介质的流阻和换热特性随孔隙率的变化关系，随孔隙率变大，多孔介质流阻减小，换热能力下降。 2) 尝试建立了采用多孔介质冷却通道的燃烧室传热计算模型，与试验结果对比表明该模型能够预测多孔介质换热能力随结构参数的变化规律，但在数值上有一定偏差，最大偏差达到 25% 。 3) 在燃烧室中，相比传统的铣槽通道，采用多孔介质冷却通道能够获得更好的热防护效果，但是需要开展更多的传热试验来研究多孔介质结构参数与换热能力之间的关系，建立更为准确的传热模型，为多孔介质在燃烧室中的应用奠定基础。

　　参考文献:

　　[1]朱成财，韩伟，于忻立，等. 氧化亚氮基单元复合推进剂技术研究述评[J]. 火箭推进，2016，42( 2) : 79-85. ZHU C C，HAN W，YU X L，et al. Review of nitrous-oxidebased composite monopropellants technology[J]. Journal of Rocket Propulsion，2016，42( 2) : 79-85.

　　[2]张锋，杨伟东，胡洪波，等. 氧化亚氮/乙烯推进剂预混燃烧特性试验研究[J]. 火箭推进，2019，45( 3) : 41-47. ZHANG F，YANG W D，HU H B，et al. Experimental investigation of premixed combustion characteristics of N2 O/ C2H4 propellants[J]. Journal of Rocket Propulsion，2019， 45( 3) : 41-47.

　　[3]VOZOFF M，MUNGAS G. NOFBXTM: a non-toxic，" green" propulsion technology with high performance and low cost[R]. AIAA 2012-5235.

　　[4]WERLING L，HAUK A. Pressure drop measurement of porous materials: flashback arrestors for a N2O/C2H4 premixed green propellant[R]. AIAA 2016-5094.

　　[5]郑坤灿，温治，王占胜，等. 前沿领域综述: 多孔介质强制对流换热研究进展[J]. 物理学报，2012，61 ( 1 ) : 532-542.

　　作者：刘占一，胡锦华，张魏静，杨建文，刘计武，石晓波