多孔介質冷卻通道在燃燒室中的應用

　　摘 要: 為了探索多孔介質冷卻通道在液體火箭發動機燃燒室中的應用，采用金屬粉末燒結 法制備了多孔介質，設計了多孔介質通道的流阻和傳熱特性測試裝置，建立了采用多孔介質冷卻通 道的燃燒室傳熱預測模型，對具有不同結構參數的多孔介質進行了研究。結果表明: 隨著孔隙率的增 大，多孔介質通道的流阻逐漸減小，換熱能力逐漸下降; 基于傳熱模型的預測結果與試驗有一定偏差， 最大達到 25% ; 相較銑槽通道，多孔介質冷卻通道能夠在燃燒室中獲得更好的熱防護效果。

　　關鍵詞: 多孔介質; 冷卻通道; 燃燒室; 強化傳熱

　　0 引言

　　Nofbx 是將氧化亞氮和碳氫燃料預混形成的一 種單組元液體推進劑，將其用于液體火箭發動機具 有供應系統簡單、比沖性能高、易于深度節流、綠色無毒等 優 點，已經引起國內外研究者的廣泛關 注[1-4]。

　　但是，Nofbx 是一種燃料和氧化劑預混推進 劑，在考慮燃燒室的熱防護時，常用的膜冷卻方式 無法應用，而且也無法通過改變混合比降低邊區燃 氣溫度，因此只能通過再生冷卻方式來實現燃燒室的熱防護。傳統的再生冷卻通常采用銑槽式結構， 但是，在 Nofbx 燃燒室中，缺少了膜冷卻的“協助”， 銑槽式再生冷卻有可能無法滿足熱防護需要。

　　而相比銑槽通道，填充多孔介質的冷卻通道能夠進一 步有效擴展冷卻劑通道的換熱面積，而且其特有的 彌散效應也能有效提高換熱強度[5]，這些特點對于 提高推力室熱防護性能有明顯的積極作用。 多孔介質冷卻通道應用于發動機燃燒室再生 冷卻通道的研究尚未見報道，而在其他工程領域， 國內外研究人員對于多孔介質的流動和傳熱特性 已經開展了廣泛的試驗和數值模擬研究[6-15]。

　　例 如，王晶鈺采用奈升華熱質比擬試驗方法測量了顆 粒無序堆積床內顆粒與流體之間的對流換熱系數， 從孔隙率對傳熱的影響出發，對文獻換熱公式的適 用性進行了探討[6]; 黃寓理對空氣、氫氣和氦氣流 過微細多孔介質內部的流動阻力特性進行了試驗 研究，分析了不同氣體在不同顆粒直徑條件下摩擦 因數與等效雷諾數的關系[7]; 胥蕊娜對空氣流過燒 結微細多孔介質的流動和對流換熱進行了試驗研 究，分析了顆粒直徑、阻力系數和雷諾數的關系，得 到了燒結多孔介質內部體積平均對流換熱系數[8]。

　　常煥靜利用數值模擬的方法對水和冪律流體在多 孔介質中的流動和換熱影響因素進行了深入研 究[9]; Hou 基于計算流體動力學方法對顆粒堆積床 內傳熱現象進行了詳細的研究，建立了不采用半經 驗系數的傳熱預測模型[10]; 孫得川提出了一種適合 于對大量顆粒自然堆積的管道流動進行模擬的數 值方法，對不同顆粒直徑、進口速度的管道堆積床 進行了流動與非定常傳熱模擬[11]。

　　因此，本文以燃燒室為應用背景，設計了多孔 介質冷卻通道，以水為模擬介質，采用試驗手段研 究了多孔介質的流阻和換熱特性，同時，借鑒現有 有關多孔介質文獻的研究成果，建立了采用多孔介 質冷卻通道的燃燒室傳熱模型，對多孔介質冷卻通 道應用于 Nofbx 燃燒室的可行性進行了初步探索。

　　1 多孔介質的制備

　　多孔介質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，根據液體火箭發動機燃 燒室冷卻需求，選擇以紫銅作為多孔介質基材，通 過金屬粉末冶金燒結法制備多孔介質。制備時先采用篩分器對原料銅粉末進行篩分，然后采用模壓 成型胚體，再在氫氣氛圍爐燒結成型，燒結溫度為 800 ～ 900 ℃，燒結時間為 60 ～ 100 min，得到孔隙分 布均勻的多孔介質。

　　2 試驗裝置和試驗方法

　　2. 1 多孔介質試驗段和燃氣發生器設計

　　考慮到發動機燃燒室的再生冷卻通道的結構 形式，因此將試驗段設計成圓柱形夾套冷卻形式， 將多孔介質填充環形冷卻通道，同時也便于與常規 的銑槽冷卻方式進行對比。試驗段內徑 40 mm，內 壁厚度 1 mm，環形冷卻通道寬度 2 mm，多孔介質填 充長度 50 mm。為模擬燃燒室的高溫燃氣，設計了一個燃氣發 生器，為試驗段提供熱源。受試驗條件 限制，以空氣和煤油為工質，混合比為 15，采用火花 塞點火。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 提高試驗段的燃氣溫度均勻性，在發生器出口設置 了收縮段，收縮段采用夾套水冷方式進行冷卻。

　　2. 2 流阻試驗方法

　　使固定流量的水從試驗件一端流入、從另一端 流出，測量進出口兩端的壓降獲得多孔介質試驗段 的流動阻力。試驗介質采用過濾后的自來水。試 驗裝置包含 1 個質量流量計，2 個壓力傳感器和 2 個手閥。試驗時，先打開下游手閥，然后調整上游 手閥開度，待流動穩定后，即可獲得該流量對應的 流阻。

　　2. 3 傳熱試驗方法

　　以常溫水為冷卻劑，冷卻劑流動方向與高溫燃 氣流動方向相反。冷卻劑以擠壓方式供應，通過減 壓閥和一個預先標定好的孔板配合控制冷卻劑流 量。試驗過程中，經過試驗段后的冷卻劑直接排放 至試驗間排水槽。 在冷卻通道內多孔介質前后分別布置熱電偶， 測量冷卻劑在經過多孔介質前后的溫度 Tin和 Tout。 另外，在外壁面沿流動方向均勻布置了 10 個 熱 電偶，用以監測壁溫變化。預計各測點溫度均在 200 ℃以下，為保證測溫精度，熱電偶均選用 T 型。

　　3. 與銑槽冷卻通道的對比

　　液體火箭發動機燃燒室外冷卻通常采用銑槽 形式，為了對比多孔介質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 段。按照一般的工藝，限制銑槽槽寬和肋寬均不小 于 1 mm[20]。據此，根據試驗段直徑，選擇銑槽形式 如下: 槽寬 1 mm，槽數 60 條，保持冷卻通道高度與 多孔介質一致。 對具有銑槽冷卻通道的試驗段進行流阻測試， 發現其在各流量工況下流阻約為 1#多孔介質試驗 段流阻的 1 /30。 在相同的燃燒工況條件下進行測試，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#多孔介質之間，其換熱能力甚至高于 3#多孔介 質，可能的原因是: 銑槽試驗段的內壁和肋的材質 為鉻青銅，而前述的多孔介質試驗段由于工藝原 因，采用的內壁材質為不銹鋼，內壁材質的不同對 換熱能力的比較是有一定影響的，因此嚴格地說， 在本文的試驗中無法定量比較多孔介質和銑槽換 熱能力，但是由于不銹鋼的熱阻明顯高于鉻青銅， 因此可以預見，1#和 2#多孔介質試驗段如果采用鉻青銅內壁，冷卻劑溫升將會進一步提高，這意味著燃燒室采用多孔介質冷卻通道，將會獲得優于銑槽的熱防護效果。

　　物理論文投稿期刊：《物理學報》刊登物理學科各領域中原創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、創新性強，發表速度快的特點，受到國內外物理學工作者的高度重視，被國際著名的SCI等17種核心檢索系統收錄。

　　4 結論

　　本文開展了多孔介質冷卻通道在燃燒室中的 初步應用研究，得到結論如下: 1) 試驗進一步驗證了多孔介質的流阻和換熱 特性隨孔隙率的變化關系，隨孔隙率變大，多孔介 質流阻減小，換熱能力下降。 2) 嘗試建立了采用多孔介質冷卻通道的燃燒 室傳熱計算模型，與試驗結果對比表明該模型能夠 預測多孔介質換熱能力隨結構參數的變化規律，但 在數值上有一定偏差，最大偏差達到 25% 。 3) 在燃燒室中，相比傳統的銑槽通道，采用多 孔介質冷卻通道能夠獲得更好的熱防護效果，但是 需要開展更多的傳熱試驗來研究多孔介質結構參 數與換熱能力之間的關系，建立更為準確的傳熱模 型，為多孔介質在燃燒室中的應用奠定基礎。

　　參考文獻:

　　[1]朱成財，韓偉，于忻立，等. 氧化亞氮基單元復合推進劑 技術研究述評[J]. 火箭推進，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]張鋒，楊偉東，胡洪波，等. 氧化亞氮/乙烯推進劑預混 燃燒特性試驗研究[J]. 火箭推進，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]鄭坤燦，溫治，王占勝，等. 前沿領域綜述: 多孔介質強 制對流換 熱 研 究 進 展[J]. 物理學報，2012，61 ( 1 ) : 532-542.

　　作者：劉占一，胡錦華，張魏靜，楊建文，劉計武，石曉波

轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.cnzjbx.cn/jjlw/24534.html