肋片对于发动机推力室再生冷却的影响研究

韩 炜，贺 征

（西安爱生技术集团公司，陕西 西安 710065）

液体火箭发动机点火运行后，燃气气流温度最高在3000～4800 K，燃气速度最高达到了6个马赫数，推力室室壁会受到高温燃气剧烈的冲刷作用。为避免室壁材料被高温烧毁，必须采取有效的冷却措施对室壁进行降温，以避免其结构遭到破坏[1]。

本文主要对液体火箭发动机推力室采用再生冷却方式的情况进行数值研究，分别就有无肋片及不同肋片深宽比共2种工况下室壁冷却情况进行数值模拟，期望得到再生冷却的一般规律，为热试车提供指导。

根据文献[2-3]的研究结论可知，主流燃气中的辐射换热量占壁面总体热流密度的比重较小，对计算结果影响不大。因此，本文主要考虑对流换热和室壁导热，涉及冷却液、内壁和燃气的耦合换热问题。

1 模拟计算

1.1 物理模型结构参数及网格示意图

本文选用的液体火箭发动机推力室模型包括燃气通道部分、推力室壁面部分和冷却剂流动通道部分。该模型依据相关文献资料[4]对喷管型面进行三维造型设计，结构如图1、图2所示。

本文推力室的建模工作分为燃气部分建模、固体室壁及肋片部分建模和冷却液部分建模。这三部分材料均不相同，需要单独对材料属性进行设置。为在保证高网格质量的同时方便边界条件和材料属性的设置，采用结构化网格，如图3所示。

1.2 边界条件及模型参数设置

图1   液体火箭发动机推力室结构图

图2   肋片与冷却通道结构示意图

本文研究中，燃烧室入口设置为压力入口，压力Pin=8 MPa；喷管出口设置为压力出口，压力Pout=101325 Pa。假定燃气在进入燃烧室时已充分燃烧，燃气为水蒸气（氢、氧燃烧后产物），入口温度T=3500 K。推力室内壁材料设置为锆铜，初始化时温度设为300 K。燃气与内壁接触面和冷却剂与壁面接触部分设置为耦合面。燃气入口位于x=0 m，推力室圆筒段与喷管渐缩段交接处位于x=0.3968 m处，喷管喉部位于x=0.775 m处，喷管出口位于x=1.8845 m处。

图3   模型网格结构图

本文工况中，随着温度的变化，水蒸气、锆铜合金和氢会发生物理性质的改变，因此利用公式（1）和（2）对其进行分段线性拟合。

式中：A1、A2、A3、B1、B2、B3为经验参数，在上述方程中，φ代表材料的物理属性。

氢在4.94 MPa下的密度、比热容、热导率和黏度是通过物性计算软件[该软件以“美国国家标准局（NIST）”的数据为参考]计算得到。锆铜合金的热导率参考文献[5]对30～1000 K锆铜合金的热导率进行线性拟合。

2 计算结果与分析

为深入研究不同方式下的冷却情况，本文模拟了有无肋片及不同肋片深宽比共2种工况下壁面温度情况。

前置说明：本文各工况中，推力室内壁厚度为1 mm，冷却通道高度为2 mm；冷却通道因为推力室几何形状的影响呈现出一个渐缩和渐扩的状态，从而影响冷却通道中冷却剂的流动规律（在燃烧室圆筒段冷却通道横截面积不变，从喷管渐缩段到喷管喉部冷却通道横截面积逐渐缩小，喷管喉部到喷管尾部冷却通道横截面积逐渐增大）。

2.1 相同冷却剂流量下肋片对壁面冷却效果的影响

本节研究中，肋片个数为120个，肋片宽度约为4 mm。如图4所示，实线为有肋片工况下模拟数据，虚线为无肋片工况下模拟数据。

为了进一步分析推力室壁面各处的温度情况，分别选取燃烧室入口x=0.00863 m，燃烧室圆筒段与喷管渐缩段交接处x=0.3968 m，喷管喉部附近位置x=0.7467 m和喷管出口附近位置x=1.830 m的温度进行对比，对比结果见表1。

图4   有无肋片情况下壁面温度对比图

表1   有无肋片时不同冷却剂流量下推力室内壁特征位置温度对比表

观察图4和表1可知，冷却剂流量相同时，肋片的存在可以明显起到改善冷却效果的作用。一方面，肋片可以增加换热面积，让冷却剂充分地吸收高温燃气传递到推力室内壁面上的热量。另一方面，相较于无肋片情况，肋片的采用减少了冷却通道的流通体积，使同样冷却剂进口流量条件下，相对于无肋片工况，有肋片工况下冷却剂在通道内有更高的流动速度，强化了推力室内壁面的对流换热，更快地将传导到壁面处的热量带走。

2.2 不同冷却通道深宽比对冷却情况的影响

为了对不同肋片深宽比下推力室壁面冷却效果进行分析，在保证冷却通道总体积不变的情况下，通过改变肋片的个数来对冷却通道深宽比进行调整。分别研究肋片个数为80个（喉部位置肋片深宽比1∶3）、96个（喉部位置肋片深宽比2∶5）、120个（喉部位置肋片深宽比1∶2）时推力室内壁面上的温度情况，如图5所示。

图5   不同肋片情况下推力室内壁面温度分布图

观察图5可知，肋片深宽比的增加总体上有助于提升冷却效果，但在部分位置肋片的增加并没有起到明显的提升冷却效果的作用。从总体上看，肋片深宽比的增加与冷却效果并不呈线性关系。为了更加直观地对比肋片深宽比增加对于壁面冷却效果的影响，分别给出x=1.8426 m（冷却剂刚进入冷却通道，图5右侧第一个波峰位置）、x=0.775 m（喷管喉部）、x=0.00673 m（冷却通道出口附近）特征截面上典型温度值。

x=1.8426 m处典型温度如表2所示。

表2   不同肋片数下x=1.8426 m截面典型温度值（K）

观察表2可知，x=1.8426 m处位于靠近喷管出口附近出现波峰位置。此时该截面上最低温度为30 K，与冷却剂注入时温度（30 K）相同。肋片个数的变化对截面处的最低温度与最高温度的差值，还没有呈现明显的变化。说明冷却剂刚进入冷却通道，其流量足够快速带走高温燃气传递到室壁上的热量。

x=0.775 m处典型温度如表3所示。

表3   不同肋片数下x=0.775 m截面典型温度值（K）

观察表3可知，x=0.775 m处位于喷管喉部位置，由喷管中燃气流动的规律可知，通过该处的热流密度极大。由于结构关系，该处肋片间距最小，冷却剂速度达到最大值，传递到该处的热量被冷却剂迅速吸收，相比于入口处温度，该处冷却剂温度得到大幅提升。肋片数越多（冷却通道深宽比越大），冷却剂受加热面积（肋片侧面与推力室室壁外侧部分）越大，同截面上温差越小，说明该处冷却剂受热越充分。

x=0.00673 m处典型温度如表4所示。

表4   不同肋片数下x=0.00673 m截面典型温度值（K）

观察表4可知，x=0.00673 m处位于冷却通道出口位置附近，随着肋片个数的增加（冷却通道深宽比增加）推力室内壁面的最高温度有所降低，冷却剂的最低温度却有所升高。而且伴随着肋片的增多，两者的差值有所减小，这是因为，冷却剂流量固定时，其热容量是一定的。当肋片增多时，肋效率增大，冷却剂受热更为充分，致使冷却剂的温差有所减小。

3 结    论

本文以得到肋片对推力室内壁面温度影响规律为目的，对液体火箭发动机推力室的再生冷却问题进行了研究，主要获得以下结论：

（1）喷管型面的变化会对冷却通道的截面积大小产生影响，从而影响冷却剂在冷却通道中的流动规律。

（2）相比于无肋片工况，有肋片时的冷却效果有了极大的提升。肋片深宽比的增加有助于提高肋效率，提升冷却效果，但肋片深宽比的增加与冷却效果并不呈线性关系，因此需根据实际工况，试验确定最佳深宽比及肋片个数。