火箭发动机冷却通道超临界甲烷流动传热模型研究

Marco Pizzarelli，Francesco Nasuti，Marcello Onofri，Pietro Roncioni，Raffaele Votta，Francesco Battista

摘要：为了研究火箭发动机冷却通道内的甲烷反应， 意大利航空航天研究中心专门撰写了一篇研究此方向的文章。本研究采用三维共轭传热模型对理想壁面和冷却剂的性能进行研究分析。为了了解其对冷却系统传热性能的影响， 考虑了不同的冷却液压力和表面粗糙度水平。研究结果表明， 当甲烷在近临界条件下流动反应时， 原理上可能会发生传热变质。然而， 通过增加冷却剂压力和增加表面粗糙度的方法可以让壁面温度峰值降低。

关键词：液体火箭发动机；再生冷却；超临界甲烷；传热变质；计算流体动力学（CFD）；共轭传热 (红隧)；通道表面粗糙度

引言

现代液体火箭燃烧室内的热气体环境受推进剂、混合物比率和燃烧室压力的影响，可以被看作是一个气体温度达到3600 K和热量通量达到160 MW/m²的区域。为了让推力室墙壁的温度保持在他们允许的变化范围之内，必须要对其进行强力的冷却控制，在再生冷却的情况下，冷却控制通过使其中一个推进剂流动进入适当的管道使其环绕推力室来实现^[1]。在这种情况下， 需要高的压力供应， 因为在电路冷却中会产生不可避免的压力损失。再生冷却性能在可重复利用和在需要长期工作的发动机当中尤为重要，一个高效，作用能力强的冷却系统对于延长发动机寿命是至关重要的，并且在轮机循环引擎当中，冷却剂的热量可以增加涡轮机械的效率。^[2]在后一种情况下，再生冷却发动机的热分析对于预测壁面温度，以及通道出口的冷却液温度和压力都是至关重要的。

超临界压力流体的温度接近伪临界值 (即在特定压力下，在恒定压力下比热的温度最高)，对这类流体的传热研究在最近吸引了液体火箭发动机设计者， 因为甲烷可能能够替代氢气作为一个更密集和更便宜的燃料作用在运载火箭当中并且也可以成为一个更便宜的推进剂而替代有毒的可储存推进剂运用在空间推进中。^[3，4]如果液态氧/液态甲烷发动机的燃烧室压力大于约50Pa，将产生甲烷可以作为冷却剂的一种特殊反应现象:它进入通道时处于超临界压力和亚临界温度状态，然后，在被热气体加热后，它的温度可能增加到达到或超过伪临界值。因此，由于冷却通道中甲烷的正常压力和温度相对接近临界点， 冷却液流动现象受到近临界区的巨大性质变化的强烈影响。这种现象通常被称为 '跨临界流体' 流动。特别是对于恒压、热导率和声速等变量，在伪临界温度附近都表现出相关的峰值。峰值随压力的增大而减小；因此，在足够大的压力水平下，近临界区域对流动现象的影响消失了。

为了更好地研究在跨临界情况下的流体动力学，我们通过比较跨临界流体与亚临界流体沸腾的热力学现象发现其结果是很有趣的。在后一种情况下，通过下壁面加热，液相由液体转变为水蒸气， 其热力学性质突然变化。具体来说， 在低热通量的核沸腾发生现象和在壁面传热增加的情况下，而在高热流的情况下，气体膜会使热壁面 (膜沸腾) 绝缘，从而使温度呈一个逐渐上升的趋势。在超临界压力情况下，不发生相变。然而，如果压力相当接近临界点，由于壁面加热流体使其从液态传递到气态:伪相变现象发生。因此，在低质量流量、高热流、流体和壁温分别低于伪临界值的情况下，可能发生传热变质。^[5，6]

尽管在冷却通道中我们对超临界氢气流体进行了大量研究，研究LOX/LH2火箭发动机的热反应，但对冷却通道内超临界甲烷流动的实验研究却很少，^[7，9]仅仅体现在理论方面研究。^[8]此外，除了参考文献中提供的少量数据外，这些研究并没有提到矩形截面冷却通道， 这个冷却通道对火箭发动机的运行有巨大影响。在数值计算中， 我们采用二维^[10，11]和三维的CFD模型^[12，14]研究了加热圆截面管和矩形断面冷却通道中的超临界甲烷流动现象。