CN112943484A - 一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置，包括：喷管壳体，其具有入口和出口，呈现由入口向出口扩张的柱状；石墨测温件，为紧贴出口段内壁布置的空心柱体结构，石墨测温件沿其外壁面被均分为n个石墨测温单元，每个石墨测温单元与燃气接触的表面的粗糙度均不相同；挡片设置在喷管壳体的出口端，其用于对石墨测温件进行定位；多个热电偶，设置在喷管壳体的出口段上，具体分布在多个不同扩张比的截面上，且在每个截面上为环绕设置的多个、布置深度不同的热电偶；多个热电偶，用于测量喷管壳体出口段壁面内部温度随发动机工作时间的变化率，提供了一种在相同燃气参数下、在喷管内不同粗糙度条件下、壁面传热过程的测定方法。

Description

一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置

技术领域

本发明属于航天发动机技术领域，具体涉及一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置。

背景技术

固体火箭发动机是现代火箭、航天系统和导弹武器的主要发动机种类之一，它被广泛应用于各国航天技术领域当中，具有结构简单、可靠性高、使用方便等特性，然而其工作过程却异常复杂，燃烧与流动的相互作用带来了一系列棘手问题。传统的固体火箭发动机喷管一般主要根据其飞行高度进行相应扩张比的设计，以期在工作过程中喷管保持完全膨胀的工作状态，从而使得发动机所携带能量达到最大化的利用。对于传统喷管，其扩张比一经确定，在理想状况下只能在特定的飞行高度实现其完全膨胀的工作状态。而现实情况存在多种多样的因素导致喷管无法正常工作，例如飞行高度的变化所带来的背压改变、喷管喉部因冲刷烧蚀而导致的喉部面积扩大等。

固体火箭发动机内流场的燃气流动是一个耦合了多相相互作用的复杂物理化学过程，其中燃气的各组分在高温高压下的相互作用，混合气体常数、比热等随温度和组分浓度的不断变化、粒子相与燃气的力热耦合等因素势必对准确的发动机内流场预示造成一定的困难。固体火箭发动机喷管内部流场，其存在着燃气热动能转化的跨声速流动使得喷管内部流场的状态发生剧烈变化。因此，开展固体火箭发动机喷管的内部流动的研究对于揭示发动机喷管流场的流动机理，获得燃气组分在喷管内部的变化规律，并为新型喷管提供必要的技术支持具有重要的科学意义和工程价值。

炭化层是绝热材料在烧蚀过程中在其表面形成的一种质密的疏松多孔的无规则的结构。对于固体火箭发动机中绝热层烧蚀留下的炭化层，具有阻燃和隔热的作用。其表面致密的孔隙结构对于发动机内流场燃气的流动会产生一定的影响。因此，进行带有凹坑结构的粗糙壁面流动的研究对于更深入的了解固体火箭发动机炭化层表面流动规律，对发动机结构及其内部绝热层材料的设计都具有重要的现实意义。

炭化层的烧蚀是一个随着发动机的工作时间动态变化的过程，所以其表面粗糙度也随着发动机工作时间的推移不断变化的过程，在喷管超声速流动中，粗糙度的变化对燃气与壁面之间附面层的流动与传热的影响更加明显，同时，以目前的研究手段很难保证多次实验中燃气参数的一致性，在超声速流动中，若干参数的细微变化都会对实验的结果带来不确定性。所以，如何测定相同燃气参数下喷管内不同粗糙度条件下壁面的传热过程将是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置，以提供一种在相同燃气参数下、在喷管内不同粗糙度条件下、壁面传热过程的测定方法。

本发明采用以下技术方案：一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置，包括：

一喷管壳体，其具有入口和出口，呈现由入口向出口扩张的柱状；

一石墨测温件，为紧贴出口段内壁布置的空心柱体结构，石墨测温件沿其外壁面被均分为n个石墨测温单元，每个石墨测温单元与燃气接触的表面的粗糙度均不相同；

一挡片，设置在喷管壳体的出口端，其为具有一供燃气流出出口的定位件，其用于对石墨测温件进行定位；

多个热电偶，设置在喷管壳体的出口段上，具体分布在多个不同扩张比的截面上，且在每个截面上为环绕设置的多个、布置深度不同的热电偶；

其中，多个热电偶，用于测量喷管壳体出口段壁面内部温度随发动机工作时间的变化率。

进一步的，同一截面上各个热电偶的插入深度不同；每个截面上的各个热电偶的深度布置规律相同。

进一步的，每个截面上，将热电偶划分为m组，每组中热电偶的插入深度按照等差数列依次布置，每组的热电偶布置规律相同。

进一步的，各个石墨测温件之间采用耐高温环氧树脂密封。

进一步的，挡片为一个环形定位件、或为n个与石墨测温单元外形相同的单元定位件，单元定位件组合形成一完整环形。

进一步的，石墨测温件为高强石墨。

进一步的，还包括依次串联的燃气发生器、收敛段和等直段，等直段的出口连通至喷管的入口。

本发明的有益效果是：在模拟固体火箭发动机喷管处采用不同粗糙度的石墨材料拼接制成喷管扩张段，在石墨不同扩张比的截面处设置深度不一的测温点，测温点处设置热电偶，在发动机工作的同时测定各测温点处的温度变化。能够模拟固体火箭发动机真实喷管扩张段流动状态，该装置能够测量不同粗糙度的喷管内壁面在发动机工作状态下的实时温度变化。

附图说明

图1为本发明一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置的喷管结构示意图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为图1的B-B剖面图；

图4为图1的C-C剖面图；

图5为本发明一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置的结构示意图；

图6为本发明一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置的燃气与壁面之间传热系数的模拟计算结果图。

其中，1.前封头，2.燃烧室壳体，3.推进剂，4.点火药包，5.密封塞，6.压帽，7.收敛段壳体，8.等直段壳体，9.喷管壳体，10.石墨喉衬，11.石墨测温件，12.挡片，13.热电偶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置，如图1-4所示，包括喷管壳体9、石墨测温件11、挡片12和多个热电偶13。多个热电偶13用于测量喷管壳体9出口段壁面内部温度随发动机工作时间的变化率。其中，喷管壳体9其具有入口和出口，呈现由入口向出口扩张的柱状。

石墨测温件11为紧贴所述出口段内壁布置的空心柱体结构，石墨测温件11沿其外壁面被均分为n个石墨测温单元，每个石墨测温单元与燃气接触的表面的粗糙度均不相同。每个石墨测温单元的横截面均为扇形，通过不同粗糙度的n个石墨测温单元组合为一个完整的石墨测温件11，以此实现一次试验中提供多种粗糙度内壁面的试验环境。本发明主要用于测定不同粗糙度壁面下的传热情况，关键在于体现不同壁面条件下产生的传热差异，测温单元数量的选取可以根据具体的实验需要，从加工的角度上来说，测温单元越多，加工以及后续组装难度也更大，建议根据实际状况合理选取测温单元的数量。粗糙度的设置主要也是依据研究目的，如果仅仅是验证粗糙度不同所带来的传热差异，将不同测温单元的壁面粗糙度设置为不同任意数值均可，但若是需要研究不同粗糙度对传热数值的具体影响，那么需要严格表征粗糙度的数值。

本发明目的除了在于验证不同粗糙度壁面条件下传热的差异，同时也为了研究带来传热差异的具体原因，所以需要测定更加准确的温度变化，由于石墨导热性能相较于钢材更好，同时熔点高，在高温燃气的冲刷下不易变形，更加适宜做为测温组件的原材料。

挡片12设置在所述喷管壳体9的出口端，，其为具有一供燃气流出出口的定位件，其用于对所述石墨测温件11进行定位。挡片的主要作用是为了定位，限制喷管内的测温组件在高温燃气的推动下产生位移，影响实验效果。在构型设置方面，设置成环形整体固定所有测温组件，或是根据测温单元数量分别固定单个测温单元均可，需要保证挡片的固定范围不要影响喷管出口燃气正常流出。

多个热电偶13设置在喷管壳体9的出口段上，具体分布在多个不同扩张比的截面上，且在每个截面上为环绕设置的多个、布置深度不同的热电偶13。在一些实施例中，同一截面上各个所述热电偶的插入深度不同；每个截面上的各个热电偶的深度布置规律相同。在一些实施例中，每个截面上，将热电偶划分为m组，每组中热电偶的插入深度按照等差数列依次布置，每组的热电偶布置规律相同。比如：每个截面上的热电偶的插入深度按照2mm、4mm、6mm的规律循环布置。

同一截面上热电偶的深度布置，应当符合一定的规律，假设截面一上热电偶分别布置深度为2mm，4mm，6mm，那么后续截面的热电偶深度应保持一致，这样方便对比温度差异，总结规律。每个截面上的热电偶布置的数量及具体深度可以根据具体实验要求及加工精度进行确定。

通常模拟固体火箭发动机的喷管扩张段均由金属制成(多数为30CrMnSiA钢材)，主要是看重钢材的高强度及切削加工优良的特性。钢材虽然具有一定的导热性，但是其在高温下的物理参数并不稳定(例如：随着温度的升高钢材的导热系数会发生较大的改变)，固体火箭发动机工作时间较短，测温装置很难准确测得钢壳体内部准确的温度变化。所以在喷管材料方面需要挑选比钢材导热性能更好、热稳定强且易于加工的材料，这里选定了高强石墨作为喷管内壁面材料。石墨导热性能是钢材的2～3倍，同时其在2500K温度条件下具有稳定的理化性质，也能够进行正常的切削加工，满足喷管型面的构型需求。石墨材料韧性不足，装置外部有该材料制成壳体，保证石墨喷管的整体强度。在拼接过程中，需要保证喷管在高温高压环境下整体的气密性，这里喷管扩张段在与壳体相接触采用了承插结构，在结构定位的同时也能更好的确保装置的密封性，各不同粗糙度壁面之间采用耐高温环氧树脂进行密封。经实验验证，此发明装置能够较为准确地测定发动机工作过程中喷管扩张段不同粗糙度壁面条件下的温度的响应变化。

图1为喷管中测温单元与喷管壳体的装配示意图，按照图中所示将石墨测温件与喷管壳体进行装配，为了密封问题，需要在石墨测温组件与喷管壳体接触的部位均与涂抹耐高温环氧树脂，并静置24小时以上，确保环氧树脂完全风干，保证实验过程中喷管组件的气密性。其后安装挡片，按图5总装图纸将各个部件进行组装，组装完成后整体固定在发动机实验台架上进行实验，实验过程中应注意人员安全，需要测定发动机工作过程中各个热电偶随时间的工作状态，得到温度曲线，后续根据各个测点的温度变化来分析粗糙度对喷管壁面传热的影响。

如图5所示，一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置还包括依次串联的燃气发生器、收敛段和等直段，所述等直段的出口连通至所述喷管的入口。其包括零件为：前封头1、燃烧室壳体2、推进剂3、点火药包4、密封塞5、压帽6、收敛段壳体7、等直段壳体8、喷管壳体9、石墨喉衬10、石墨测温件11、挡片12。

实施例

喷管的扩张段采用四块表面不同粗糙度的石墨测温件拼接而成，各零部件之间使用耐高温环氧树脂粘接，以达到密封的作用。四块不同粗糙的石墨测温件环向均匀分布，组成完整的喷管扩张段，同时沿扩张段轴线方向的不同扩张比截面处布置有不同深度的测温点，如图1中，A、B、C三个截面处，发动机工作过程中，测温点处的热电偶能够测量喷管壁面内部温度随发动机工作时间的变化率。喷管拼接后，整体放置于喷管壳体内，喷管壳体使用钢材料制成，能够保证整体强度，同时相较于石墨，钢材料的导热系数较低，对实验结果的影响较小。石墨喷管前端设置有挡片，防止其在工作过程中被燃气吹动，产生滑移。

固体火箭发动机的工作过程大致为：先通过点火器引燃点火药包产生大量的热点燃推进剂药柱，从而产生高温燃气，经过收敛段及等直实验段，并在喷管扩张段内形成超声速流体，最后通过喷管出口排出。实验发动机主要由燃气发生器、收敛段、等直段以及喷管四部分组成，各部分之间由法兰连接，法兰之间使用O型密封圈密封，确保发动机壳体整体在发动机工作过程中的密封性。在收敛段与喷管之间使用等直实验段壳体连接，该等直实验段能够对流出收敛段的气体进行整流作用。

由于固体火箭发动机内部的高温高压工作环境，所以出于安全考虑，发动机模拟实验不易设置太长的工作时间，同时也要考虑到温度传导所需要的响应时间，这里建议发动机工作时间在5～10s之间。由于工作时间较短，所以在测温喷管材料的选用上面推荐使用高强石墨，其原因在于：石墨的导热性能较好，在高温环境下具有良好的热稳定性，实验过程中能够较快地产生温度变化，易于实验数据的采集与后续分析，同时其具有良好的切削加工性能，能够根据设计要求加工成不同粗糙度的喷管壁面。

图6为本实施例在一定燃气参数下，不同粗糙度壁面条件下燃气与壁面之间传热系数的模拟计算结果，可以看出壁面粗糙度的不同会使得传热发生变化，该实验装置的测量结果对于研究喷管内燃气与不同粗糙度壁面条件下的传热过程提供数据支持。

本发明的实验装置主要是为了研究同一喷管流动条件下，喷管内壁面粗糙度对喷管内近壁面流动及传热的影响。针对此问题，在此本发明主要采用不同粗糙度喷管拼接的方式，能够通过更换扩张段的石墨测温件来达到测量不同粗糙度壁面条件下不同扩张比处的温度变化。本发明的实验装置能够模拟真实固体火箭发动机喷管内的流动状态。由于其喷管在环向使用多块石墨喷管组件拼装，所以在喷管内部存在多种粗糙度，能够测定一定燃气状态下壁面粗糙度对扩张段内燃气流动与传热的影响。若是使用单一粗糙度壁面，进行多发实验测量，虽然也能取得结果，但其问题在于：很难保证多发实验燃气参数的一致性，壁面粗糙度对燃气流动与传热的影响很可能会受到燃气参数的不同而带来结果的偏差。按照本发明一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置的设计思路，能够确保燃气流动参数一致性，同时测定不同粗糙度壁面的传热结果。所以，本发明在模拟固体火箭发动机喷管处采用不同粗糙度的石墨材料拼接制成喷管扩张段，在石墨不同扩张比的截面处设置深度不一的测温点，测温点处设置热电偶，在发动机工作的同时测定各测温点处的温度变化。能够模拟固体火箭发动机真实喷管扩张段流动状态，该装置能够测量不同粗糙度的喷管内壁面在发动机工作状态下的实时温度变化，提供一种在相同燃气参数下、在喷管内不同粗糙度条件下、壁面传热过程的测定方法，解决了如何测定相同燃气参数下喷管内不同粗糙度条件下壁面的传热过程的问题。

Claims (7)

1.一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置，其特征在于，包括：

一喷管壳体(9)，其具有入口和出口，呈现由入口向出口扩张的柱状；

一石墨测温件(11)，为紧贴所述出口段内壁布置的空心柱体结构，所述石墨测温件(11)沿其外壁面被均分为n个石墨测温单元，每个石墨测温单元与燃气接触的表面的粗糙度均不相同；

一挡片(12)，设置在所述喷管壳体(9)的出口端，其为具有一供燃气流出出口的定位件，其用于对所述石墨测温件(11)进行定位；

多个热电偶(13)，设置在喷管壳体(9)的出口段上，具体分布在多个不同扩张比的截面上，且在每个截面上为环绕设置的多个、布置深度不同的热电偶(13)；

其中，多个热电偶(13)，用于测量喷管壳体(9)出口段壁面内部温度随发动机工作时间的变化率。

2.如权利要求1所述的一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置，其特征在于，同一截面上各个所述热电偶的插入深度不同；每个截面上的各个热电偶的深度布置规律相同。

3.如权利要求1或2所述的一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置，其特征在于，每个截面上，将热电偶划分为m组，每组中热电偶的插入深度按照等差数列依次布置，每组的热电偶布置规律相同。

4.如权利要求3所述的一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置，其特征在于，各个石墨测温件(11)之间采用耐高温环氧树脂密封。

5.如权利要求3所述的一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置，其特征在于，所述挡片(12)为一个环形定位件、或为n个与石墨测温单元外形相同的单元定位件，所述单元定位件组合形成一完整环形。

6.如权利要求3所述的一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置，其特征在于，所述石墨测温件(11)为高强石墨。

7.如权利要求3所述的一种研究粗糙度对喷管壁面传热影响的实验装置，其特征在于，还包括依次串联的燃气发生器、收敛段和等直段，所述等直段的出口连通至所述喷管的入口。

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