多孔介質(zhì)冷卻通道在燃燒室中的應(yīng)用

　　摘 要: 為了探索多孔介質(zhì)冷卻通道在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的應(yīng)用，采用金屬粉末燒結(jié) 法制備了多孔介質(zhì)，設(shè)計(jì)了多孔介質(zhì)通道的流阻和傳熱特性測(cè)試裝置，建立了采用多孔介質(zhì)冷卻通 道的燃燒室傳熱預(yù)測(cè)模型，對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的多孔介質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明: 隨著孔隙率的增 大，多孔介質(zhì)通道的流阻逐漸減小，換熱能力逐漸下降; 基于傳熱模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)有一定偏差， 最大達(dá)到 25% ; 相較銑槽通道，多孔介質(zhì)冷卻通道能夠在燃燒室中獲得更好的熱防護(hù)效果。

　　關(guān)鍵詞: 多孔介質(zhì); 冷卻通道; 燃燒室; 強(qiáng)化傳熱

　　0 引言

　　Nofbx 是將氧化亞氮和碳?xì)淙剂项A(yù)混形成的一 種單組元液體推進(jìn)劑，將其用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具 有供應(yīng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、比沖性能高、易于深度節(jié)流、綠色無毒等 優(yōu) 點(diǎn)，已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān) 注[1-4]。

　　但是，Nofbx 是一種燃料和氧化劑預(yù)混推進(jìn) 劑，在考慮燃燒室的熱防護(hù)時(shí)，常用的膜冷卻方式 無法應(yīng)用，而且也無法通過改變混合比降低邊區(qū)燃 氣溫度，因此只能通過再生冷卻方式來實(shí)現(xiàn)燃燒室的熱防護(hù)。傳統(tǒng)的再生冷卻通常采用銑槽式結(jié)構(gòu)， 但是，在 Nofbx 燃燒室中，缺少了膜冷卻的“協(xié)助”， 銑槽式再生冷卻有可能無法滿足熱防護(hù)需要。

　　而相比銑槽通道，填充多孔介質(zhì)的冷卻通道能夠進(jìn)一 步有效擴(kuò)展冷卻劑通道的換熱面積，而且其特有的 彌散效應(yīng)也能有效提高換熱強(qiáng)度[5]，這些特點(diǎn)對(duì)于 提高推力室熱防護(hù)性能有明顯的積極作用。 多孔介質(zhì)冷卻通道應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室再生 冷卻通道的研究尚未見報(bào)道，而在其他工程領(lǐng)域， 國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)于多孔介質(zhì)的流動(dòng)和傳熱特性 已經(jīng)開展了廣泛的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[6-15]。

　　例 如，王晶鈺采用奈升華熱質(zhì)比擬試驗(yàn)方法測(cè)量了顆 粒無序堆積床內(nèi)顆粒與流體之間的對(duì)流換熱系數(shù)， 從孔隙率對(duì)傳熱的影響出發(fā)，對(duì)文獻(xiàn)換熱公式的適 用性進(jìn)行了探討[6]; 黃寓理對(duì)空氣、氫氣和氦氣流 過微細(xì)多孔介質(zhì)內(nèi)部的流動(dòng)阻力特性進(jìn)行了試驗(yàn) 研究，分析了不同氣體在不同顆粒直徑條件下摩擦 因數(shù)與等效雷諾數(shù)的關(guān)系[7]; 胥蕊娜對(duì)空氣流過燒 結(jié)微細(xì)多孔介質(zhì)的流動(dòng)和對(duì)流換熱進(jìn)行了試驗(yàn)研 究，分析了顆粒直徑、阻力系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系，得 到了燒結(jié)多孔介質(zhì)內(nèi)部體積平均對(duì)流換熱系數(shù)[8]。

　　常煥靜利用數(shù)值模擬的方法對(duì)水和冪律流體在多 孔介質(zhì)中的流動(dòng)和換熱影響因素進(jìn)行了深入研 究[9]; Hou 基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)顆粒堆積床 內(nèi)傳熱現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的研究，建立了不采用半經(jīng) 驗(yàn)系數(shù)的傳熱預(yù)測(cè)模型[10]; 孫得川提出了一種適合 于對(duì)大量顆粒自然堆積的管道流動(dòng)進(jìn)行模擬的數(shù) 值方法，對(duì)不同顆粒直徑、進(jìn)口速度的管道堆積床 進(jìn)行了流動(dòng)與非定常傳熱模擬[11]。

　　因此，本文以燃燒室為應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)了多孔 介質(zhì)冷卻通道，以水為模擬介質(zhì)，采用試驗(yàn)手段研 究了多孔介質(zhì)的流阻和換熱特性，同時(shí)，借鑒現(xiàn)有 有關(guān)多孔介質(zhì)文獻(xiàn)的研究成果，建立了采用多孔介 質(zhì)冷卻通道的燃燒室傳熱模型，對(duì)多孔介質(zhì)冷卻通 道應(yīng)用于 Nofbx 燃燒室的可行性進(jìn)行了初步探索。

　　1 多孔介質(zhì)的制備

　　多孔介質(zhì)的制備方法包括粉末冶金類方法、鑄 造類方法、沉積類方法等，根據(jù)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃 燒室冷卻需求，選擇以紫銅作為多孔介質(zhì)基材，通 過金屬粉末冶金燒結(jié)法制備多孔介質(zhì)。制備時(shí)先采用篩分器對(duì)原料銅粉末進(jìn)行篩分，然后采用模壓 成型胚體，再在氫氣氛圍爐燒結(jié)成型，燒結(jié)溫度為 800 ～ 900 ℃，燒結(jié)時(shí)間為 60 ～ 100 min，得到孔隙分 布均勻的多孔介質(zhì)。

　　2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

　　2. 1 多孔介質(zhì)試驗(yàn)段和燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)

　　考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的再生冷卻通道的結(jié)構(gòu) 形式，因此將試驗(yàn)段設(shè)計(jì)成圓柱形夾套冷卻形式， 將多孔介質(zhì)填充環(huán)形冷卻通道，同時(shí)也便于與常規(guī) 的銑槽冷卻方式進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)段內(nèi)徑 40 mm，內(nèi) 壁厚度 1 mm，環(huán)形冷卻通道寬度 2 mm，多孔介質(zhì)填 充長(zhǎng)度 50 mm。為模擬燃燒室的高溫燃?xì)�，設(shè)計(jì)了一個(gè)燃?xì)獍l(fā) 生器，為試驗(yàn)段提供熱源。受試驗(yàn)條件 限制，以空氣和煤油為工質(zhì)，混合比為 15，采用火花 塞點(diǎn)火。煤油噴嘴采用氣助霧化形式，輔助霧化氣 體為空氣，空氣路分為一次空氣和二次空氣。為了 提高試驗(yàn)段的燃?xì)鉁囟染鶆蛐�，在發(fā)生器出口設(shè)置 了收縮段，收縮段采用夾套水冷方式進(jìn)行冷卻。

　　2. 2 流阻試驗(yàn)方法

　　使固定流量的水從試驗(yàn)件一端流入、從另一端 流出，測(cè)量進(jìn)出口兩端的壓降獲得多孔介質(zhì)試驗(yàn)段 的流動(dòng)阻力。試驗(yàn)介質(zhì)采用過濾后的自來水。試 驗(yàn)裝置包含 1 個(gè)質(zhì)量流量計(jì)，2 個(gè)壓力傳感器和 2 個(gè)手閥。試驗(yàn)時(shí)，先打開下游手閥，然后調(diào)整上游 手閥開度，待流動(dòng)穩(wěn)定后，即可獲得該流量對(duì)應(yīng)的 流阻。

　　2. 3 傳熱試驗(yàn)方法

　　以常溫水為冷卻劑，冷卻劑流動(dòng)方向與高溫燃 氣流動(dòng)方向相反。冷卻劑以擠壓方式供應(yīng)，通過減 壓閥和一個(gè)預(yù)先標(biāo)定好的孔板配合控制冷卻劑流 量。試驗(yàn)過程中，經(jīng)過試驗(yàn)段后的冷卻劑直接排放 至試驗(yàn)間排水槽。 在冷卻通道內(nèi)多孔介質(zhì)前后分別布置熱電偶， 測(cè)量冷卻劑在經(jīng)過多孔介質(zhì)前后的溫度 Tin和 Tout。 另外，在外壁面沿流動(dòng)方向均勻布置了 10 個(gè) 熱 電偶，用以監(jiān)測(cè)壁溫變化。預(yù)計(jì)各測(cè)點(diǎn)溫度均在 200 ℃以下，為保證測(cè)溫精度，熱電偶均選用 T 型。

　　3. 與銑槽冷卻通道的對(duì)比

　　液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室外冷卻通常采用銑槽 形式，為了對(duì)比多孔介質(zhì)與銑槽冷卻形式的流阻特 性和換熱能力，加工了具有銑槽冷卻通道的試驗(yàn) 段。按照一般的工藝，限制銑槽槽寬和肋寬均不小 于 1 mm[20]。據(jù)此，根據(jù)試驗(yàn)段直徑，選擇銑槽形式 如下: 槽寬 1 mm，槽數(shù) 60 條，保持冷卻通道高度與 多孔介質(zhì)一致。 對(duì)具有銑槽冷卻通道的試驗(yàn)段進(jìn)行流阻測(cè)試， 發(fā)現(xiàn)其在各流量工況下流阻約為 1#多孔介質(zhì)試驗(yàn) 段流阻的 1 /30。 在相同的燃燒工況條件下進(jìn)行測(cè)試，獲得不同 流量下的冷卻劑溫升。

　　銑槽冷卻通道的冷卻劑溫升介于 2# 和 3#多孔介質(zhì)之間，其換熱能力甚至高于 3#多孔介 質(zhì)，可能的原因是: 銑槽試驗(yàn)段的內(nèi)壁和肋的材質(zhì) 為鉻青銅，而前述的多孔介質(zhì)試驗(yàn)段由于工藝原 因，采用的內(nèi)壁材質(zhì)為不銹鋼，內(nèi)壁材質(zhì)的不同對(duì) 換熱能力的比較是有一定影響的，因此嚴(yán)格地說， 在本文的試驗(yàn)中無法定量比較多孔介質(zhì)和銑槽換 熱能力，但是由于不銹鋼的熱阻明顯高于鉻青銅， 因此可以預(yù)見，1#和 2#多孔介質(zhì)試驗(yàn)段如果采用鉻青銅內(nèi)壁，冷卻劑溫升將會(huì)進(jìn)一步提高，這意味著燃燒室采用多孔介質(zhì)冷卻通道，將會(huì)獲得優(yōu)于銑槽的熱防護(hù)效果。

　　物理論文投稿期刊：《物理學(xué)報(bào)》刊登物理學(xué)科各領(lǐng)域中原創(chuàng)性成果的前沿研究綜述、研究快訊及研究論文。該刊以論文水平高、創(chuàng)新性強(qiáng)，發(fā)表速度快的特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外物理學(xué)工作者的高度重視，被國(guó)際著名的SCI等17種核心檢索系統(tǒng)收錄。

　　4 結(jié)論

　　本文開展了多孔介質(zhì)冷卻通道在燃燒室中的 初步應(yīng)用研究，得到結(jié)論如下: 1) 試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了多孔介質(zhì)的流阻和換熱 特性隨孔隙率的變化關(guān)系，隨孔隙率變大，多孔介 質(zhì)流阻減小，換熱能力下降。 2) 嘗試建立了采用多孔介質(zhì)冷卻通道的燃燒 室傳熱計(jì)算模型，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明該模型能夠 預(yù)測(cè)多孔介質(zhì)換熱能力隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，但 在數(shù)值上有一定偏差，最大偏差達(dá)到 25% 。 3) 在燃燒室中，相比傳統(tǒng)的銑槽通道，采用多 孔介質(zhì)冷卻通道能夠獲得更好的熱防護(hù)效果，但是 需要開展更多的傳熱試驗(yàn)來研究多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)參 數(shù)與換熱能力之間的關(guān)系，建立更為準(zhǔn)確的傳熱模 型，為多孔介質(zhì)在燃燒室中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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　　作者：劉占一，胡錦華，張魏靜，楊建文，劉計(jì)武，石曉波

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