液氧∕甲烷发动机推力室再生冷却耦合传热数值研究

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1、2016年第1期导弹与航天运载技术No.12016总第343期MISSILESANDSPACEVEHICLESSumNo.343文章编号：1004-7182(2016)01-0057-04DOI：10.7654/j.issn.1004-7182.20160113液氧/甲烷发动机推力室再生冷却耦合传热数值研究姬威信，孙纪国（北京航天动力研究所，北京，100076）摘要：为了解液氧/甲烷火箭发动机推力室再生冷却的换热特点，采用数值模拟的方法，对液体火箭发动机推力室身部燃气与室壁间的对流、辐射换热以及通过室壁的导热、冷却剂与冷却通道间的对流换热进行了三维耦

2、合数值计算。在计算中，假定推力室内流动为冻结流动，考虑了跨临界甲烷物性随温度和压力的变化。针对某甲烷再生冷却推力室进行CFD计算，计算结果与实验数据吻合较好。关键词：液体火箭发动机；推力室；再生冷却；耦合传热中图分类号：V434文献标识码：ANumericalSimulationofRegenerativeCoolingConjugateHeatTransferofLOX/MethaneRocketEngineThrustChamberJiWei-xin,SunJi-guo(BeijingAerospacePropulsionInstitute,Be

3、ijing,100076)Abstract:studythecharacteristicofregenerativecoolingheattransferoftheLOX/Methanerocketenginethrustchamber,three-dimensionalconvection,radiationheattransferbetweenthehotgasandthewall,heatconductionthroughthewall,convectionbetweencoolantandcoolingchannelofliquidrocke

4、tenginethrustchamberwerenumericallyinvestigated.Duringthecalculation,supposethefluidofthethrustchamberisfrozenflowandconsiderthechangesofthermophysicalpropertiesofthetrans-criticalCH4withbothtemperatureandpressure.ThispapercalculatesamethaneregenerativecooledthrustchamberbyCFD,

5、thesimulationresultswerematchedwellwithexperimentaldata.Keywords:Liquidrocketengine;Thrustchamber;Regenerativecooling;Conjugateheattransfer0引言的工作状况十分复杂。在对液氧/甲烷发动机推力室再甲烷资源丰富、价格便宜，与液氢同属低温推进剂，生冷却身部进行设计和热分析时，考虑甲烷物性的变[6]沸点为-161℃，其维护使用条件与液氢基本相同；密化十分必要。王亚洲等研究了超临界压力下低温甲烷[7]度是液氢的6倍，液氧/甲

6、烷组合具有较大的密度比冲；在水平圆管中的湍流流动和传热过程；康玉东考虑火比热高，是良好的冷却剂，且无毒无污染，是航天动力箭发动机冷却通道的实际构型研究了跨临界甲烷的流理想的燃料。与传统液体火箭发动机相比，液氧/甲烷动换热。发动机兼有液氧/液氢发动机和液氧/煤油发动机的优本文以Fluent作为求解器，结合用户自定义函数点，综合性能好，成本低、可靠性高、重复使用、维护和C语言将甲烷物性变化编译进计算模型，对某甲烷[1]方便，是极具发展潜力的航天动力。因此，世界各主再生冷却推力室进行三维整场流动与传热耦合数值模[2～5]要航天大国均对液氧/甲烷发动机进行了

7、研究。拟，获得了推力室身部的流场和温度场分布，并与实推力室设计和计算是液氧/甲烷发动机的关键技术验结果进行了对比验证。之一。由于甲烷临界温度较高，达到190K，而以甲烷作冷却剂的发动机冷却通道入口温度较低，在冷却通1计算模型和数值方法道内甲烷处于跨临界状态工作，在临界温度附近甲烷本文研究的甲烷再生冷却推力室，由低温气氢物性变化剧烈，因而甲烷冷却剂在发动机冷却通道中（~120K）、液氧组织燃烧，身部由甲烷进行逆流冷却。收稿日期：2015-01-19；修回日期：2015-09-19作者简介：姬威信（1989-），男，助理工程师，主要从事液体火箭发动机推力

8、室热分析方向的研究58导弹与航天运载技术2016年由于推力室结构的对称性，计算区域取半条冷却通道、波长区段内