液氢加注系统的非稳态过程数值计算

基于气液两相流动的均相模型对液氢加注系统的非稳态过程进行了数值计算，控制方程采用均相流模型方程组，考虑了周围环境的热量传递。采用控制容积法建立离散方程的隐式差分格式。针对低温液氢不同的入口压力、出口压力、入口温度等工况进行了计算，分析讨论水平管路中低温液氢填充过程时压力、温度、流量、含气率在空间及时间上的变化。计算结果表明在管路填充的临近入口点压力、流量随时间脉动的幅值最大，甚至比入口的压力高1．5-2倍。为了提高低温介质的通过率，减小低温介质的气化率，应尽量提高低温介质的入口压力、减小出口压力、降低入口温度和管壁温度，并尽可能增强管壁的绝热保护措施。     

液氮贮箱自增压实验与数值仿真

为研究低温推进剂在常温下的自增压过程，设计了以液氮为模拟介质可视化低温玻璃贮箱自增压实验系统，研究了自增压过程压力和温度的变化规律及体积充填率对压力和温度变化的影响。实验结果表明：气枕区和液体区存在显著的轴向温度分层，液体区温度的上升速率低于压力引起饱和温度的上升速率。压力上升分为有典型意义的三段：初始段、过渡段和稳定段，稳定段的压力上升速率随体积充填率增加而增加。液体区的对流运动在自增压过程受到抑制，气液界面逐渐进入准静止状态。并以实验测得温度作为边界条件，采用流体体积（VOF）模型对整个自增压过程进行了175 s的数值仿真。仿真得到的压力曲线变化规律与实验结果基本一致，稳定段的压力上升速率是实验值的1.58倍。本文得到的自增压物理参数变化规律，为低温推进剂的贮存和贮箱的热防护设计提供参考。     

滑行段低温推进剂流动及换热特性对气枕压力的影响研究

运载火箭在飞行过程中需要进行姿态调整以满足入轨要求,贮箱内推进剂在外界干扰力的作用下将发生晃动,由此引入了诸如气液接触面积、蒸发、冷凝过程及推进剂流动变化等不确定影响因素。实际飞行过程尤其是进入滑行段的初始推进剂晃动对贮箱内气枕压力及推进剂流动行为具有重要影响。在调研国内外运载火箭末级飞行过程中低温贮箱压力及推进剂流动特性的基础上,建立仿真模型,采用流体体积函数方法(VOF)分析滑行段推进剂流动特性变化对贮箱气枕压力的影响。     

液氢贮箱的掺混和瞬态表面冷凝

为了研究轴向射流掺混对有热防护层的液氢贮箱压力降低的影响,国外进行了大量的试验性研究。试验用的贮箱是一个近似的圆柱体,体积0.144m~3,直径0.599m.长0.711m。在贮箱内距箱底0.178m 处安装了一个射流泵,射流出口直径为0.0221m,用于产生轴向的掺混并促进箱内液体的循环。液体加注量范围为贮箱体积的42～85％,射流量为0.409～2.43m~3/hr。掺混试验开始时贮箱的压力范围为187.5kPa 至238.5kPa,在这种压力下热分层导致了4.9～6.2K 的液体过冷度。试验确定的参数有掺混时间和在气液界面处瞬态冷凝速率。建立了基于热平衡和压力平衡两种掺混时间之间的关系。两种掺混时间都可以表示为系统结构和浮力参数的关系式,且同其他试验的试验值吻合得很好,修正了根据蒸气和水的试验数据而得到稳态冷凝速率的关系式,建立了冷凝速率与射流过冷度的关系。目前对有限的液氢试验数据分析研究表明,如果引入射流过冷度和气液界面湍流强度,修正后的稳定冷凝速率关系式可以用于预测掺混过程中的瞬态冷凝速率。     

基于压力信号器控制的贮箱地面增压技术应用分析

对基于压力信号器控制的贮箱地面增压技术及其在发射场的实际应用情况进行了介绍分析。常温贮箱射前地面增压时间较为宽裕，一般采用单气路单压力信号器控制增压；低温贮箱射前地面增压时间较短，要求较快的增压速率，一般采用双气路双压力信号器控制增压。贮箱射前地面增压存在压力后效，影响压力后效大小的主要因素包括：增压充气流量qm、增压电磁阀动作响应时间Δt、增压电磁阀后供气管路气体容积Vg。发射场实际应用过程中，通过调整供气管路上节流孔板大小控制增压充气流量，使贮箱增压压力后效满足要求。针对压力信号器失效故障模式，通过设置紧急放气电磁阀和冗余设计,实现紧急放气和冗余备保增压，可以确保贮箱射前增压工作正常。     

航天飞机导航、制导控制系统分析

一、前言航天飞机是空间站,宇航器、卫星(包括各种科学试验、对地测量和通讯等卫星)及宇宙科学试验器等有效的运载工具。航天飞机一次飞行时间比弹道式导弹及卫星等运载火箭的飞行时间要长得多,并且在飞行过程中要求实时知道运载器的飞行参数,因此,航天飞机需要工作时间长的导航、制导系统。航天飞机的飞行一般具有运载火箭飞行的特点,因此要求有轨道飞行段校准控制。     

试车台氧化剂系统增压能力影响因素分析

试车台进行改造后,管路和容器参数都发生了变化,试车过程中需在要求时间内完成发动机氧化剂入口压力从前稳段升压至过载段。首次试车过程中由于贮箱增压计算出现误差,导致氧化剂升压过程中增压阀门多次动作。为避免升压过程中增压阀门的多次动作,获得试车台的实际增压能力,对其影响因素及试车数据进行了分析,修正了调整计算过程。试验结果表明:调整计算正确,改进措施有效,满足了试验任务要求。     

推进剂供应系统增压过程仿真

在大型液体火箭推进系统中,推进剂供应系统对贮箱压力有着严格的要求,增压系统作为可靠性环节的关键系统,工作过程复杂,需要进行仿真分析和试验验证,以改进设计。应用系统仿真技术,对某推进剂供应系统的增压过程进行了仿真,仿真结果与试验情况基本吻合。仿真结果表明缓冲阀可以有效地抑制增压过程压力振荡。此外,系统增压时间不能低于17s。     

液氧贮箱增压过程研究

采用数值模拟方法对液氧贮箱增压过程进行研究.贮箱内流场采用流体体积函数（VOF）多相流模型考虑,选择标准双方程k-ε湍流模型分析湍流效应,气液两项之间的热量、质量转移通过自定义程序（UDF）求解.获得了贮箱压力、排液流量、气垫温度、液氧温度对贮箱内流场温度分布的影响.计算结果表明,在稳定增压过程中,贮箱液面无扰动,贮箱内温度分层分布;各参数变化时,对贮箱内温度分布的影响主要是温度梯度的变化,并且各工况下液面附近和扩散器附近温度梯度基本相同.     

大水深火箭发动机尾流场数值模拟

针对火箭发动机在深水环境下工作的燃气射流特性,采用VOF(Volume of Fluids)方法建立了二维轴对称两相数值计算模型,对深水长尾喷管火箭发动机点火初期的过程进行了数值模拟。模拟了长尾喷管喷管燃气射流的气泡的形成、发展及断裂过程,获得了气液两相流场中压强、马赫数、温度等参数的变化规律。计算结果表明,长尾喷管出口出现周期性的压力脉动,气液相互作用过程中形成含涡结构的边界层。水深越大时,环境压力越大,长尾喷管出口的压力、速度波动越大,射流稳定后长尾喷管轴线上的压力、速度保持不变。研究结果可为深水火箭发动机的设计提供参考。     

低温贮箱多路管道增压的一种模糊算法研究

火箭发动机地面试验中,低温推进剂贮箱增压过程的传热、传质以及湍流流动过程十分复杂。贮箱增压系统具有非线性、时间滞后、参数变化不确定等特点,对增压系统难以建立精确的数学模型。因此,以低温推进剂贮箱内压力稳定为目的,提出了采用多路、不同直径管道增压的模糊控制方案;应用模糊控制算法中的最大隶属度法进行解模糊化,制定增压管路的模糊控制表,建立了以压力为控制变量的模糊控制器。分别对预增压过程和保持增压过程的两种工况进行了仿真。仿真结果表明：模糊控制算法能有效提高推进剂贮箱中压力调节的控制精度和响应速度,使得离开贮箱的推进剂压力稳定地满足发动机泵入口的压力和净吸程要求。     

环境压力对气液针栓式喷嘴雾化特性的影响

气液针栓式喷嘴在变推力液体火箭中有重要应用。采取实验与数值计算结合的方法系统研究了不同环境压力下的针栓式喷嘴的液膜破碎过程、喷雾锥角、回流区分布、压力和液滴粒径分布等雾化特性,揭示了环境压力影响液膜破碎的3个因素:气流冲击、环境气体密度和环境压力对液膜挤压作用。结果表明:喷雾锥角会随环境压力增加而增大,但该趋势会随压力的增加而逐渐放缓。喷雾整体形态呈现锥形,喷雾中心区域存在低压回流区,回流区的液滴数目较少,但液滴粒径比较均匀。液滴主要分布在气液作用面,下游的液滴粒径较大,外部的液滴粒径比内部的大。液体火箭在启动的瞬间,燃烧室压力变化剧烈,可能导致喷雾锥角发生大幅变化,引起推进剂空间分布不均匀,对燃烧性能产生影响,因此要避免或减小较差雾化效果的燃烧室设计压力区间。     

液氢空化流动特性研究

对液氢空化流动的实验数据进行了统计分析,数值计算了大范围温度变化下液氢空化流动的变化特征。结果表明采用的数值计算方法计算结果与实验数据吻合良好。随着温度变化,液氢空化流动存在两种空化行为。当温度低于转捩温度时,空化行为的变化受液/汽密度比控制,空穴面积随温度的增加而增加;当温度高于转捩温度时,空化行为的变化热力学效应控制,空穴面积随温度的增加而减小。空化数和来流速度越大,转捩温度越高。     

运载火箭贮箱增压消能器性能仿真与结构方案分析

为了更好地认识液体火箭贮箱增压消能器的工作过程，为消能器的结构方案设计提供支撑，针对典型的锥型和直筒型消能器的结构形式建立仿真模型，使用稳态方法仿真得到气体在消能器内的流场分布情况和消能器内部结构对压力损失和减速效果的影响。根据仿真结果给出消能器结构方案并进行试验，通过试验结果验证了仿真结果的准确性。结果表明：锥型和直筒型消能器的第一层节流结构是造成压力损失的主要部件；对于直筒型消能器，数值仿真的压降大小与试验结果的相对误差为6.3%；入口高速气流直接流经第一层节流结构比先经过扩容再流过第一层节流结构造成的压力损失更大；直筒型消能器的出口面积利用率随着均流筛网距离的增加有着先增加后减小的特点；样条曲线样式的导流锥能提高消能器的出口面积利用率。对贮箱增压消能器内部流场的数值仿真可以为消能器结构设计提供重要依据。     

基于专家控制系统的发动机入口压力闭环控制方案

液体火箭发动机在地面试验过程中,试车台推进剂供应系统必须保证发动机的入口压力在任务要求的范围内,而目前采用压力继电器控制进气电磁阀来调节入口压力,这种方式调节精度低,响应滞后。根据试车台增压系统的特点和增压系统开环控制数年所积累的经验,提出基于专家控制思想和以孔板矩阵作为执行机构的压力闭环控制方案。该控制方法无需精确的数学模型,又能按照设定的精度智能调节增压孔板矩阵,使发动机入口压力自动跟随设定值而变化。     

螺旋离心式喷嘴内部流动过程数值仿真研究

基于VOF模型对螺旋离心式喷嘴内部流动进行了三维全尺寸数值仿真研究,重点分析了液相在喷嘴内部的流动过程以及喷嘴内部各区域的速度、压力分布。结果表明:液相进入螺旋槽后,在螺旋槽与入口联接处形成气穴,气穴随着液相流入逐渐变小;喷嘴内部流场稳定后,在旋流中心区域形成稳定气核,喷嘴出口段液膜厚度沿轴向逐渐减小;在旋流区域液相最大切向速度位于贴近气液交界面附近区域,并且切向速度沿轴向方向逐渐减小;喷嘴各部分对总压损失的影响由大到小分别是收敛段、螺旋槽、等直段和旋流腔。     

基于流固耦合理论的关机水击特性

为了考虑结构变形对关机水击特性的影响,应用Workbench15.0构建双向流固耦合分析系统,模拟关机水击过程,通过压力和流线的分布图分析压力波传播和能量耗散。根据轨控发动机大流量、高室压、快响应的发展趋势,设计了8个工况来分析流量、压力、阀门关闭时间对水击特性的影响。仿真结果表明:在水击发生后,水击的能量只有小部分通过从入口流出和结构变形而耗散,大部分水击能量的耗散是由于流体的粘性损失。流量只对水击峰值压力有影响,且流量越大,水击峰值压力越大。阀门关闭时间的缩短增加了峰值压力和水击频率,减缓了衰减速率。管路背压对水击特性几乎没有影响。因此,在进行轨控发动机高室压水击试验时,在保证流量和关阀时间相同的情况下,减小出口背压,可以得出与高背压一致的水击压力变化曲线。     

减压器启动冲击解决方案

为消除运载火箭上面级高压贮气增压系统启动过程中对减压器的冲击,提出在减压器前增设限流阀的简易方案。基于减压器启动冲击形成机理,给出了限流阀的设计和结构。结果表明：增加限流阀后,减压器入口压力建立时间推迟,出口压力降低,启动冲击被有效抑制,且稳态工作时限流阀的前后压力基本相同,减压器正常工作不受影响。     

气体性质对气动增压器性能的影响

气动增压器的动作频率是一个重要的性能参数。当气动增压器结构确定后,频率直接决定推进剂流量等参数。同时,气动增压器的动作频率体现在推进剂出口管路压力的波动上,对出口压力的稳定性有很大影响。研究气动增压器的动作频率,有助于合理选择频率参数,以及气动增压器结构参数和性能参数的匹配。为了研究增压气体性质对气动增压器工作性能的影响,建立了数学模型,利用AMESim软件对气液活塞的工作过程进行了仿真。仿真结果与试验数据对比,一致性较好。     

运载火箭增压输送系统启动过程的数字仿真研究

应用现代计算机仿真技术，在大量发动机试车数据和长征火箭各型号飞行遥测数据等的分析、统计基础上，建立新的增压输送系统启动过程的数学模型，进行了数字仿真研究。计算结果与各型号的飞行遥测相一致，大大减少了理论计算的误差，提高了增压计算的精确度，具有实际的意义。