火箭推进人为粗糙度强化换热机理分析及效果评估陈建华，杨宝庆，周立新，杨永红，吴海波陕西动力机械设计研究所，陕西西安710100糖度强化换热的因素。对有无人为粗糙度的平直冷却通道内流动进行了对比数值模拟，并以某特定发动机推力室为例，初步评估了人为粗糙度的强化换热效果。计算和分析明在推力室喉部附近设置人为粗糙度，可使推力室气壁温平均下降约43，在冷却通道内合理地设置人为粗糙度有利于高室压可重复使用发动机推力室的热防护。 1引臼液体火箭发动机推力室工作在高温高压大热流的环境中，推力室热防护的优劣对发动机可靠工作有着重要影响。再生冷却作为推力室常用的冷却措施在发动机上得到广泛应用。然而，随着发动机能量特性的，大，特别是对于可重复使用大推力高室压推力室而言，简单的再生冷却即使结合内冷却有时也不能满足液体火箭发动机的热防护要求，而为保证推力室可靠冷却而火箭推进采用增大内冷却剂流量的手段，却又以降低发动机的性能为代价，这与高可靠低成本高性能发动机的发展方向相悖，因此，对于可重复使用发动机和高室压推力室，推力室的局部强化换热技术就很自然地成为很有前景的冷却措施之。 在推力室冷却技术的实际应用中，强化换热的方法不少，例如，可提高再生冷却通道中的冷却剂流速肋化传热面降低室壁热阻设置人为粗糙度等。但提高冷却剂流违可能会导致推力室统造成很人的负担。人为粗糙度强化冷却技术就可能克服这个缺点，它既可以强化，1部换热又使流肌损失不过于，大。 所谓人为粗糙度就是在推力室再生冷却通道中，沿着靠近热壁面的流道面形成定分布的凸台，凸台的甩面高度长度和间距不同，形成定规律的有序组合。在再生冷却通道中设置人为粗糙度的强化换热技术，其作用不仅增大了换热面，更重要的是人为粗糙度相当于扰流器而，大了近壁流体湍流度，从而强化对流传热。 对有尤人为粗糙度冷却通道的流动进行数值模拟，可初步了解围绕人为粗糙度的局部流动情况，有利于分析人为粗糙度的强化换热机理1. 有的研究者2对带有纵向肋的换热装置通道内的强迫对流换热进行数值模拟，以确定局部流动和换热情况。木文针付某特定发动机推力室，对再卞冷却通道内的人为粗糙度的机理进行分析，对影响人为粗糙度强化换热的因素进行讨论。对带有两个凸台人为粗糙度的矩形平直冷却通道内流动进行数值模拟，与无凸台的冷却通道进行对比以明确人为粗糙度的作用，并对冷却通道内设置人为粗糙度而引起气壁温热流密度等参数变化进行计算，对其强化换热作用进行初步评估。 2人为粗糙度强化换热机理2.1人为粗糙度结构在推力室再生冷却通道槽底设置的人为粗植度结构，具有定分布的凸台，凸台具有定高度办长度间距。人为粗糖度可采用不同的凸台型面，通常采用矩形凸台型曲流体流向2.2流体与壁面间的换热流体流经壁面时由于粘性作用而在近壁区形成边界层，流体与壁面间的换热迎过边界层来实现=边界以内的流动状况对流体4壁面间的换热有很大影响。在层流边界层内，换热主要依靠导热的方式。在湍流边界层大部分域内，换热以湍流掺混这种强烈的对流换热形式进行，但是在层流底层换热仍以导热方式为主，层流底层的热阻对换热影响很大，层流底层越薄，流体与壁面间的热阻就越小，换热过程加剧。因此，在通道内设置人为粗糙度凸台来强化流体扰动降低流体的层流底层厚度，是种可行的强化流体与壁面对流换热的途径。研究明3合理设置人为粗糖度可使总的换热效果大幅，加，而与此对应的流阻增加却不显著。 2.3边界层的涡结构在流动过程中，冷却通道中形成的边界层实质是个涡层。对于流体沿平板的流动，当流体雷诺数超过临界雷诺数时，层流层中出现维波，其特点为波长频率固定，而振幅增加，流动中维扰动非线性增加和维扰动的作用使维润逐渐发展成具有维结构的展向涡，其振幅周期性变化。在流体底层出现流向涡对，流向涡对的发展和相互作用形成流动次不稳定，流体会发生振荡现象。在湍流边界层外层中因流动不稳定发展而产生尺度与边界层厚度同量级的展向涡，从底层到湍流外边界的区域内存在着法卡涡，而在底层中则充满着以定间隔的流向涡对和在流向涡对的作用下，在底层产生展向分布的高低速相间流带，它们常在外层展向大涡的扫荡下发生破碎断裂生成大量小涡，即外层的展向涡刺