浅说火箭增压管路的试验方法

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1真实工况分析

飞行真实工况下的增压管路内部为高温、高压、高流速的增压气体，如某型号火箭一级发动机氧化剂为四氧化二氮（N2O4）。实际上，四氧化二氮在高于25℃空气压缩机调节阀门空气加热器试验管路水冷却器调节阀门排气功率控制温度、压力流量、信号数据采集管路内热内压试验原理真实工况分析飞行真实工况下的增压管路内部为高温、高压、高流速的增压气体，如某型号火箭一级发动机氧化剂为四氧化二氮（N2O4）。实际上，四氧化二氮在高于25℃空气压缩机调节阀门空气加热器试验管路水冷却器调节阀门排气功率控制温度、压力流量、信号数据采集管路内热内压试验原理图时是N2O4和NO2的平衡混合物。因此增压管路内部为四氧化二氮和二氧化氮的混合气体。高温高压气体与管壁之间存在强制对流换热。气体热学参数（如温度、热容等）和动力学参数（如压力、流速等）对强制对流换热程度起着重要作用。此外，管壁内部在厚度方向存在导热，管壁与外部环境之间存在自然对流和辐射换热。管路开口系统传热传质示。增压管路在稳定工作的情况下，其内部、外部环境不变，管路基本处于热平衡状态。管外自然对流换热受到外部大气物性参数的影响较大。然而，不同高度的大气物性参数存在很大差异。资料显示，某型号火箭芯一级发动机关机高度为55.63km，飞行时序为146.428s，二级主机关机高度为134.17km，飞行时序为258.278s。可见，对于大型火箭增压管路来讲，一级管路经历了大气层中的对流层和平流层，二级管路经历了大气层中的中间层及部分热层。根据北半球标准大气参数资料，随着海拔高度的不断升高，大气逐渐变的稀薄，两万米高空的大气，其密度为零海拔时的7.2%。由式可知，管外自然对流换系数（hc）和格拉晓夫数（Gr）与普朗特数（Pr）的乘积的n次方成正比。而Gr与Pr均由大气密度、温度等热物性参数决定。在两万米高空，大气的Gr与Pr乘积为零海拔时的1.1%，而此时的管外自然对流换热量十分有限以致可以忽略不计，即Q管外自然对流≈0。管外辐射换热主要管壁与周围其他结构的辐射换热以及管壁与周围大气之间的辐射换热。鉴于在高空中大气十分稀薄，因此管壁和大气之间的辐射换热可忽略不计。大部分管路周围结构的温度均比管路温度低，因此管外辐射换热忽略其他结构对管路的辐射作用，而只以其自身的辐射散热进行估算，换热方程见式。事实上，局部管路会受到发动机火焰或周围其他高温结构的辐射作用。在此，本文仅对一般工况进行讨论。综上所述，在真实工况下，增压管路处于管内外换热平衡状态。管内主要为强制对流换热，管外主要为辐射散热。然而，某些型号的管路外壁布置隔热保温材料，此时管壁与环境隔离，接近于绝热边界。飞行遥测数据显示，某型号火箭一级氧化剂增压管路进口气体压力为0.8MPa，进口气体温度达到350℃，出口气体温度与进口温度之差在10℃以内。可以推断，真实工况下管路结构温度与气体温度相差不大，管路热问题较为突出。基于以上理论分析，以某型号火箭一级增压管路为例，建立管路与空气的流动换热模型。采用有限元软件，对真实工况下的管路结构温度场进行了数值研究。管路长度约为5m，外径93mm，管壁厚为1mm，管材为铝。采用网格软件对流体域和固体域进行网格划分，同时采用O型网格对管内流动边界层进行加密处理。管路计算模型，局部网格划分示例。增压气体参数选用四氧化二氮与二氧化氮混合平衡气体的物性参数，真实工况下管路内部流动换热计算结果。由图可知，管内流体温度沿流向不断降低，进口处流体温度为350℃，出口处流体温度为346℃，温差为4℃，这与飞行遥测采集到的温度数据水平相当。管路结构平均温度为348℃。可见，管路结构温度与流体温度十分相近。

2试验工况分析

地面试验场地为大气环境，管壁与大气环境之间的换热程度一般高于真实工况，因此在地面试验时通常在管路外壁设置隔热棉毡，以防热量损失。系针对以上计算模型，在结合了地面试验情况下的热边界及流动边界条件的情况下，本文对空气内加热工况下的管路结构温度分布进行了数值计算。通过对比二者，得出对试验的指导性的结论，计算工况。为进口空气温度为350℃、内压为0.8MPa、不同流量下的管路结构温度分布云图。给出了不同流量下管路截面温度均值沿流向的变化曲线。管路截面温度平均值沿流向降低。随着空气流量的不断加大，管路结构整体温度水平不断升高，并逐渐接近真实工况下的温度水平。可见，要想尽可能真实的模拟真实工况下的管路结构温度分布，应尽量提高空气流量。然而，在进口空气温度为350℃的情况下，当流量达到600L/s时，管路结构温度分布与真实工况仍然存在差距。事实上，由于试验设备能力有限，不可能无限制的提供高温空气的流量。因此，考虑是否可以将进口空气温度提高（高于真实工况进口温度），这样可以使得在低流量的情况下得到较理想的模拟效果。因此，本文对进口空气温度分别为370℃、380℃、和390℃的工况进行了数值计算进口空气温度为360℃的情况下，空气流量为500~600L/s为较理想的试验工况；进口空气温度为370℃的情况下，空气流量为200~300L/s为较理想的试验工况；进口空气温度为380℃的情况下，空气流量为150~200L/s为较理想的试验工况；进口空气温度为390℃的情况下，空气流量为100~150L/s为较理想的试验工况。现对管路结构上所有质点的温度值进行平均计算，并对此进行考察。给出了管路结构温度平均值在不同试验工况下（不同空气流量）的变化曲线。真实工况下管路结构温度前后相差较小，平均值约为348℃。中的点与真实工况线越接近，说明此试验工况对真实工况的模拟越贴近。可见，较为理想的可选试验工况包括：进口温度390℃，空气流量100L/s；进口温度380℃，空气流量150L/s；进口温度370℃，空气流量250L/s；进口温度360℃，空气流量500L/s。可见，适当的提高进口空气温度，可以在较小的流量情况下得到更加合理的试验考核。这为试验加热参数的选取提供了参考。

作者：王伟张志广胡由宏刘永清史淑娟单位：北京强度环境研究所