低温推进剂贮箱压力变化的CFD仿真

为预示低温推进剂贮箱在地面停放阶段的压力变化并研究贮箱内物理过程的相互作用关系,建立了包含液体推进剂和混合气体两相的二维轴对称volume of fluid(VOF)计算流体力学(CFD)模型,并引入了基于热力学平衡假设的推进剂相变模型.对实验液氢贮箱进行仿真得到的压力上升速率与实验结果相差9.1%.通过对地面加压停放阶段下的液氢和液氧贮箱的仿真发现:造成液氢贮箱压力上升的主要因素是壁面漏热对气枕的加热作用,而液氢蒸发影响更小,液氧贮箱在加压停放阶段初期明显受到液氧相变的影响.两个贮箱中液面附近的对流运动在不同的气液传热过程作用下有不同的变化趋势,对流运动会影响推进剂的相变进而影响贮箱的压力变化.      

基于分区模型的液氢贮箱地面温度与压力分布研究

针对传统商用软件计算液氢贮箱热分层时的计算量大且耗时长等问题,运用分区模型方法将地面液氢贮箱内部空间分为过热区、饱和区和过冷区3块区域,并离散气相/液相区的质量与能量守恒方程和热力学方程,在确定初始条件便求解液氢贮箱内温度与压力分布。对比分区模型与Fluent计算结果可知,该方法在大幅降低计算资源情况下,可获得液氢贮箱内温度与压力的精确分布,为后续流体混合计算提供初始条件。     

可重复使用运载火箭返回段低温流体行为特性

可重复使用运载火箭在返回段复杂干扰作用下，贮箱内低温推进剂与高温气枕剧烈掺混，造成贮箱压力下降、推进剂温度升高等问题。针对垂直起降（VTVL）运载火箭返回段推进剂掺混及重定位过程开展研究，首次建立了液氧掺混后行为特性仿真模型并通过加速落塔试验进行验证，研究垂直起降运载火箭返回段复杂干扰作用下低温流体行为特性，获得推进剂形态、贮箱压力、推进剂温度及蒸发量等变化规律，为推进剂管理系统及增补压方案设计提供支撑。     

低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真(Ⅱ)增压系统数值模型与仿真结果

在所建立低温推进剂分布参数贮箱模型的基础上,采用液体火箭发动机试验台气路系统模块化建模与仿真软件,对某试验台液氧贮箱增压系统在发动机点火工作段的增压过程进行了仿真研究.仿真结果与试验结果以及经验公式计算结果获得了很好的一致,表明分布参数贮箱模型相对于集中参数模型更为准确全面地描述了低温贮箱内的流动和热分层现象,并表明有限体积模型体系及所开发的仿真软件具有广泛的适用范围和良好的仿真精度,在管路系统仿真领域具有工程应用价值和数值拓展潜力.      

节流制冷对低温贮箱主流液体控温影响分析

为研究低温流体节流特性及冷量引入对贮箱主流体控温影响,首先对低温流体节流干度和体积含气率进行了分析,结果表明质量占比较小的气相占据了大部分空间体积,对流动速率及换热产生较大影响;建立了节流制冷性能测试平台,采用液氮工质开展了节流前压力为0.3～0.37 MPa工况下的减压降温试验,节流前后降温达到了11.3～14.2 K;在集成节流阀孔的热力学排气系统（TVS）系统中,通过节流制冷使贮箱流体产生了平均6.5 K的温降,将贮箱压力控制在150～160 kPa范围;冷量的引入使主流区液体温度持续波浪式降低,气液界面热分层处的降温效果更加明显。     

短壳绝热面积对液氢贮箱绝热性能影响

基于计算流体动力学(CFD)方法研究了典型5 m直径液氢贮箱在短壳未包裹绝热材料、50%面积及100%面积包裹绝热材料3种情况下对贮箱内液氢蒸发特性的影响。数值计算基于流体体积(VOF)模型计算两相流,基于Lee模型计算气液界面传质率,考虑了短壳包裹泡沫表面及未包裹泡沫的暴露表面结霜对漏热的影响,构建的数值模型及界面传质计算具有清晰的气液界面,准确地捕捉到了液氢液面的变化。结果表明:短壳是液氢贮箱漏热的主要因素,对液氢蒸发率影响起重要作用;相对于短壳未绝热,50%绝热使得液氢贮箱气相平均温度从110 K下降到32 K,绝热面积占比增加到100%时,气相平均温度下降到约23 K,绝热改善效果相对降低;比较短壳绝热面积占比从50%增加到100%与从0增加到50%对相对蒸发率影响,前者差异较小,仅降低24%,而后者差异明显,下降了409%。研究结果指导了液氢贮箱绝热结构的优化设计。     

液体火箭贮箱增压排液过程三种气枕模型的数值对比

针对液氧贮箱氦气增压排液过程,分别建立了零维整体模型、一维分层模型及二维计算流体力学(CFD)模型对气枕物理场的变化规律进行数值研究.零维及一维模型采用经验公式求解气枕与壁面间的换热量,而二维CFD模型通过低雷诺数k-ε模型确定流体与固壁间的耦合换热作用.计算时氦气采用理想气体模型.利用三种模型分别预测了贮箱内气枕压力、气枕平均温度及温度分布规律.计算结果表明:三组结果分布合理,不同模型的结果之间能够互相印证;对于气枕及与气枕接触壁面沿轴向的温度分布,在气枕主体区一维模型与二维模型预测结果基本吻合,而在靠近消能器的气枕上端,两种模型预测值存在偏差;当增压气体入口速度较大时,气枕上端径向温度分层明显,需采用二维CFD模型才能展示气枕物理场分布.      

低温运载火箭液氢自流预冷系统特性研究

为深入分析液氢/液氧发动机预冷特性,建立了一种基于AMESim的液氢自流预冷计算模型,开展了针对特定试验系统的仿真验证工作,获得了与试验数据较为一致的仿真结果,准确预示了预冷过程中预冷时间、预冷质量流量等关键参数,为低温运载火箭预冷研究提供了一种有效手段。     

低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真(Ⅰ)贮箱的有限体积模型

从准一维可压缩瞬变管流的有限体积模型出发,通过数值拓展和集成建立了一种考虑流体与箱壁传热的低温推进剂贮箱分布参数模型.流场采用一维交错网格的有限体积模型,可考虑变物性、轴向热传导、重力场、壁面传热影响;壁面温度场采用圆柱坐标系下的轴对称二维有限体积模型,可处理对流换热和辐射换热两种边界情况,可处理具有包覆层或真空夹层结构的变物性管壁传热.模型全面考虑了贮箱内的分布参数效应,适用于贮箱增压计算领域.      

运载火箭圆柱形贮箱中推进剂大幅晃动的数值模拟

运载火箭飞行过程中,贮箱内推进剂晃动及波面破碎现象会对燃料贮箱产生较大的干扰力,控制不当会影响飞行稳定性.为了研究推进剂大幅晃动对贮箱结构的影响,建立了圆柱形贮箱内液体晃动非线性动力学模型,利用流体体积函数与水平集法解决了大幅晃动过程中产生的破碎波的描述及自由液面的追踪问题,并对三维圆柱形贮箱在多种含液状态下,由俯仰运...     

基于ZBO技术的空间低温贮箱强化换热数值模拟研究

针对载人航天和深空探测对低温推进剂长期在轨存储技术的研究需求,提出了一种基于主动制冷技术和流体混合技术的ZBO新型空间低温贮箱,建立了微重力下低温存储系统的3D模型,对六种采用不同换热结构低温贮箱的温度场和速度场进行了数值模拟和研究。通过对比分析,发现热管位置和混合泵以及冷头的传输效率是影响低温贮箱性能的主要因素,低温贮箱结构采用单混合泵侧喷和低温热管加环肋时最高温度最低,温差最小,具有较好的冷却效果。模拟结果有助于提高低温存储系统的性能,为空间低温贮箱的优化设计提供参考依据。     

液体火箭贮箱增压排液过程温度场数值研究

针对某液体火箭贮箱增压排液过程,采用二维数值模拟方法对其温度场进行计算.选用低雷诺数k-ε模型分析流体与固壁间的耦合换热,考虑到气液之间发生热质转移现象,编写了控制相变的用户自定义程序(UDF)并植入Fluent软件.采用文献实验数据对相同工况下的计算结果进行验证,对比结果表明所建立的二维模型能够有效预测气枕温度、壁面温度沿轴向分布规律.数值模拟结果发现:气体扩散器入口方向、入口面积对气枕温度、壁面温度的轴向分布影响较弱,而对靠近增压口附近的温度场影响明显.当增压气体竖直向下进入气枕时,贮箱上封头附近气枕温度较低,有利于保障安全阀的可靠运行.当增压气体水平进入气枕时,扩散器直径变大,贮箱顶端高温区范围相应扩大.      

V锥流量计火箭发动机液氢液氧推进剂测量性能

为探究火箭发动机液氢液氧低温推进剂流量测量新方法,通过数值模拟研究了V锥流量计低温流体的测量性能。湍流模型采用Realizableκ-ε模型,空化模型为Schnerr-Sauer模型,并通过自行编写UDF程序,在能量方程中考虑汽化潜热等热力学效应的影响。获得了V锥流量计流出系数和压力损失系数的变化规律,并分析了V锥流量计的测量误差。研究结果表明,存在一个雷诺数"稳定区",该区域内流出系数和压力损失系数基本为常数,液氢液氧和常温水对应的平均流出系数基本相等,且稳定区雷诺数下限值也基本相同;不同流体稳定区的平均流出系数对应的雷诺数范围差别较大,低温流体尤其是液氢的雷诺数上限值明显高于常温水。此外,空化较轻时,对流出系数和压力损失系数影响较小,当空化区域对锥尾低压口附近的压力分布产生较大影响时,则会导致流出系数迅速下降和压力损失系数增大。在稳定区对应的雷诺数范围内,液氢、液氧和水的质量流量均具有较高的测量精度,其相对误差在±0.5%之内,尤其对于液氢和液氧,其在很宽的测量范围内也可以保持较高的测量精度,空化的产生亦对V锥流量计测量精度影响较小。     

氦气鼓泡法获取液氢过冷度的传热传质研究

为了更好地理解氦气鼓泡获取液氢过冷度的冷却行为,优化设计冷却系统,基于集总参数法,建立了氦气鼓泡冷却系统的热力学模型,考虑了气泡界面能和压力对系统冷却效果的影响,分析了氦气注入液氢内时瞬时传热传质过程,讨论了各个影响因素。与液氢试验数据对比,热力学模型的计算值与实验值吻合良好,表明该模型可精确预测氦气鼓泡冷却液氢的热力学过程。研究了相关因素对过冷度的影响,结果表明:采用氦气鼓泡方法可将液氢过冷至三相点处;在额定工况下,氦气消耗量基本上是液氢消耗量的7倍;增加氦气鼓泡速率、降低氦气鼓泡温度、减少环境热侵、减小贮箱气枕压力,均可有效改善液氢过冷度。     

基于碳纤维复合材料的低温贮箱支撑杆设计与仿真

针对碳纤维复合材料在运载火箭低温贮箱支撑杆中的应用问题,基于碳纤维复合材料单向板力学性能测试结果,对低温贮箱支撑杆的材料和铺层进行了设计,并通过静力学仿真分析对设计方案进行了验证,结果表明:在298 K和77 K温度下,T800单向板的力学性能均优于T700单向板,更适于制造低温贮箱支撑杆;以9°为主角度铺设72层T800增强纤维的低温贮箱支撑杆,其298 K和77 K温度下的拉伸强度和压缩强度可以很好地满足运载火箭低温贮箱支撑杆的设计强度要求。     

基于SPH方法的圆柱形贮箱液体晃动研究

在飞行器燃油供给方式的选择和飞行姿态控制调整中,必须充分考虑贮箱内燃油的晃动情况及其对贮箱冲击力的影响。然而液体晃动问题的高度非线性使得其研究极具挑战性。采用光滑质点流体动力学方法对圆柱形贮箱内液体的晃动进行建模仿真,将晃动液体的控制微分方程组离散到一系列流体粒子上,从而将不同物理量函数的连续积分转换成支持域内粒子的离散化求和形式,通过求解线性方程组得到数值解。在固壁边界上布置一组虚粒子,以对内部粒子产生排斥力来模拟固壁边界条件,同时采用狄利克雷边界条件方法模拟自由液面,实现对自由液面的追踪。将仿真的液面变化与试验结果作了对比,吻合较好。得到了贮箱壁面上不同监测点的压强变化以及贮箱与液体之间的相互作用力,并说明了结果的准确性。数值计算方法对液体晃动问题的研究提供一定参考价值。     

回流口位置对液体火箭液氧贮箱热分层影响规律研究

低温液体火箭射前需要采用自然循环方式对火箭发动机进行充分预冷,循环预冷管路的回流口位置是影响液氧贮箱内部场分布的重要因素。本文采用CFD技术,通过对不同回流位置的液氧贮箱物理场的数值模拟,揭示了贮箱内部温度场及速度场的分布特性,分析了回流口位置对贮箱内部热分层的影响规律。研究表明,当回流口位于下封头以上2米位置时,贮箱内部液氧过冷度最大,过冷液体含量最多,回流位置最佳。此研究结果为运载火箭推进系统的设计提供了重要的理论支持。     

低温推进剂双管输送系统循环预冷实验研究

为了抑制火箭发动机中低温推进剂输送管路中产生的间歇泉现象,采用液氮为工质,进行了低温推进剂双管输送循环预冷模拟实验研究。研究了输送管壁不同绝热条件、贮箱增压及气体引射对自然循环预冷过程的影响。通过实验获得了循环管路的循环压差及管路温度分布。结果表明:管壁绝热条件相差越大,循环压差越大;贮箱压力增大,循环压差降低;气体引射的作用不大;双管输送循环预冷系统中的低温流体形成了自然循环,可以有效抑止低温推进剂输送管路中的间歇泉现象产生。     

回流口位置对液体火箭液氧贮箱热分层的影响

低温液体火箭射前需要采用自然循环方式对火箭发动机进行充分预冷,循环预冷管路的回流口位置是影响液氧贮箱内部场分布的重要因素.采用计算流体力学(CFD)技术,通过对不同回流位置的液氧贮箱物理场的数值模拟,揭示了贮箱内部温度场及速度场的分布特性,分析了回流口位置对贮箱内部热分层的影响规律.研究表明,当回流口位于下封头以上2 m位置时,贮箱内部液氧过冷度最大,过冷液体含量最多,回流位置最佳.此研究结果为运载火箭推进系统的设计提供了重要的理论支持.      

推进飞行器低温推进剂在轨贮存被动蒸发控制方案研究

在对低温推进剂在轨贮存技术简要概述的基础上,针对推进飞行器的2种构型,提出了3种低温推进剂在轨贮存被动蒸发控制方案,建立了技术方案中复合绝热结构和蒸汽冷却屏的传热分析模型,对不同轨道、不同构型和多个蒸发控制方案的低温贮箱漏热量和蒸发量进行了计算和分析。结果表明,绝热结构隔热性能为0.05 W/(m2·K)时,被动蒸发控制方案可控制液氢贮箱蒸发率为0.4%~1.1%/天;近地轨道低温贮箱的蒸发量明显大于地月转移轨道的蒸发量;蒸汽冷却屏可以明显减小低温贮箱的漏热;随着绝热结构隔热性能的增加,低温贮箱的漏热量减小。