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1真實工況分析

飛行真實工況下的增壓管路內(nèi)部為高溫、高壓、高流速的增壓氣體，如某型號火箭一級發(fā)動機氧化劑為四氧化二氮（N2O4）。實際上，四氧化二氮在高于25℃空氣壓縮機調(diào)節(jié)閥門空氣加熱器試驗管路水冷卻器調(diào)節(jié)閥門排氣功率控制溫度、壓力流量、信號數(shù)據(jù)采集管路內(nèi)熱內(nèi)壓試驗原理真實工況分析飛行真實工況下的增壓管路內(nèi)部為高溫、高壓、高流速的增壓氣體，如某型號火箭一級發(fā)動機氧化劑為四氧化二氮（N2O4）。實際上，四氧化二氮在高于25℃空氣壓縮機調(diào)節(jié)閥門空氣加熱器試驗管路水冷卻器調(diào)節(jié)閥門排氣功率控制溫度、壓力流量、信號數(shù)據(jù)采集管路內(nèi)熱內(nèi)壓試驗原理圖時是N2O4和NO2的平衡混合物。因此增壓管路內(nèi)部為四氧化二氮和二氧化氮的混合氣體。高溫高壓氣體與管壁之間存在強制對流換熱。氣體熱學(xué)參數(shù)（如溫度、熱容等）和動力學(xué)參數(shù)（如壓力、流速等）對強制對流換熱程度起著重要作用。此外，管壁內(nèi)部在厚度方向存在導(dǎo)熱，管壁與外部環(huán)境之間存在自然對流和輻射換熱。管路開口系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)示。增壓管路在穩(wěn)定工作的情況下，其內(nèi)部、外部環(huán)境不變，管路基本處于熱平衡狀態(tài)。管外自然對流換熱受到外部大氣物性參數(shù)的影響較大。然而，不同高度的大氣物性參數(shù)存在很大差異。資料顯示，某型號火箭芯一級發(fā)動機關(guān)機高度為55.63km，飛行時序為146.428s，二級主機關(guān)機高度為134.17km，飛行時序為258.278s?？梢?，對于大型火箭增壓管路來講，一級管路經(jīng)歷了大氣層中的對流層和平流層，二級管路經(jīng)歷了大氣層中的中間層及部分熱層。根據(jù)北半球標準大氣參數(shù)資料，隨著海拔高度的不斷升高，大氣逐漸變的稀薄，兩萬米高空的大氣，其密度為零海拔時的7.2%。由式可知，管外自然對流換系數(shù)（hc）和格拉曉夫數(shù)（Gr）與普朗特數(shù)（Pr）的乘積的n次方成正比。而Gr與Pr均由大氣密度、溫度等熱物性參數(shù)決定。在兩萬米高空，大氣的Gr與Pr乘積為零海拔時的1.1%，而此時的管外自然對流換熱量十分有限以致可以忽略不計，即Q管外自然對流≈0。管外輻射換熱主要管壁與周圍其他結(jié)構(gòu)的輻射換熱以及管壁與周圍大氣之間的輻射換熱。鑒于在高空中大氣十分稀薄，因此管壁和大氣之間的輻射換熱可忽略不計。大部分管路周圍結(jié)構(gòu)的溫度均比管路溫度低，因此管外輻射換熱忽略其他結(jié)構(gòu)對管路的輻射作用，而只以其自身的輻射散熱進行估算，換熱方程見式。事實上，局部管路會受到發(fā)動機火焰或周圍其他高溫結(jié)構(gòu)的輻射作用。在此，本文僅對一般工況進行討論。綜上所述，在真實工況下，增壓管路處于管內(nèi)外換熱平衡狀態(tài)。管內(nèi)主要為強制對流換熱，管外主要為輻射散熱。然而，某些型號的管路外壁布置隔熱保溫材料，此時管壁與環(huán)境隔離，接近于絕熱邊界。飛行遙測數(shù)據(jù)顯示，某型號火箭一級氧化劑增壓管路進口氣體壓力為0.8MPa，進口氣體溫度達到350℃，出口氣體溫度與進口溫度之差在10℃以內(nèi)?？梢酝茢啵鎸嵐r下管路結(jié)構(gòu)溫度與氣體溫度相差不大，管路熱問題較為突出?；谝陨侠碚摲治?，以某型號火箭一級增壓管路為例，建立管路與空氣的流動換熱模型。采用有限元軟件，對真實工況下的管路結(jié)構(gòu)溫度場進行了數(shù)值研究。管路長度約為5m，外徑93mm，管壁厚為1mm，管材為鋁。采用網(wǎng)格軟件對流體域和固體域進行網(wǎng)格劃分，同時采用O型網(wǎng)格對管內(nèi)流動邊界層進行加密處理。管路計算模型，局部網(wǎng)格劃分示例。增壓氣體參數(shù)選用四氧化二氮與二氧化氮混合平衡氣體的物性參數(shù)，真實工況下管路內(nèi)部流動換熱計算結(jié)果。由圖可知，管內(nèi)流體溫度沿流向不斷降低，進口處流體溫度為350℃，出口處流體溫度為346℃，溫差為4℃，這與飛行遙測采集到的溫度數(shù)據(jù)水平相當。管路結(jié)構(gòu)平均溫度為348℃?？梢?，管路結(jié)構(gòu)溫度與流體溫度十分相近。

2試驗工況分析

地面試驗場地為大氣環(huán)境，管壁與大氣環(huán)境之間的換熱程度一般高于真實工況，因此在地面試驗時通常在管路外壁設(shè)置隔熱棉氈，以防熱量損失。系針對以上計算模型，在結(jié)合了地面試驗情況下的熱邊界及流動邊界條件的情況下，本文對空氣內(nèi)加熱工況下的管路結(jié)構(gòu)溫度分布進行了數(shù)值計算。通過對比二者，得出對試驗的指導(dǎo)性的結(jié)論，計算工況。為進口空氣溫度為350℃、內(nèi)壓為0.8MPa、不同流量下的管路結(jié)構(gòu)溫度分布云圖。給出了不同流量下管路截面溫度均值沿流向的變化曲線。管路截面溫度平均值沿流向降低。隨著空氣流量的不斷加大，管路結(jié)構(gòu)整體溫度水平不斷升高，并逐漸接近真實工況下的溫度水平?？梢?，要想盡可能真實的模擬真實工況下的管路結(jié)構(gòu)溫度分布，應(yīng)盡量提高空氣流量。然而，在進口空氣溫度為350℃的情況下，當流量達到600L/s時，管路結(jié)構(gòu)溫度分布與真實工況仍然存在差距。事實上，由于試驗設(shè)備能力有限，不可能無限制的提供高溫空氣的流量。因此，考慮是否可以將進口空氣溫度提高（高于真實工況進口溫度），這樣可以使得在低流量的情況下得到較理想的模擬效果。因此，本文對進口空氣溫度分別為370℃、380℃、和390℃的工況進行了數(shù)值計算進口空氣溫度為360℃的情況下，空氣流量為500~600L/s為較理想的試驗工況；進口空氣溫度為370℃的情況下，空氣流量為200~300L/s為較理想的試驗工況；進口空氣溫度為380℃的情況下，空氣流量為150~200L/s為較理想的試驗工況；進口空氣溫度為390℃的情況下，空氣流量為100~150L/s為較理想的試驗工況?，F(xiàn)對管路結(jié)構(gòu)上所有質(zhì)點的溫度值進行平均計算，并對此進行考察。給出了管路結(jié)構(gòu)溫度平均值在不同試驗工況下（不同空氣流量）的變化曲線。真實工況下管路結(jié)構(gòu)溫度前后相差較小，平均值約為348℃。中的點與真實工況線越接近，說明此試驗工況對真實工況的模擬越貼近?？梢姡^為理想的可選試驗工況包括：進口溫度390℃，空氣流量100L/s；進口溫度380℃，空氣流量150L/s；進口溫度370℃，空氣流量250L/s；進口溫度360℃，空氣流量500L/s?？梢?，適當?shù)奶岣哌M口空氣溫度，可以在較小的流量情況下得到更加合理的試驗考核。這為試驗加熱參數(shù)的選取提供了參考。

作者：王偉張志廣胡由宏劉永清史淑娟單位：北京強度環(huán)境研究所