运载火箭贮箱增压消能器流场数值仿真方法研究

在液体运载火箭贮箱的入口,通常采用增压消能器对贮箱增压气体进行均流、减速,使增压气体平稳、缓慢地降落在推进剂液面上。增压消能器通常由多层筛网、导流锥、扩容腔等部件组成。根据美国NASA的半人马座火箭采用的喇叭口消能器结构和参数,使用计算流体力学(CFD)方法对该种喇叭口形消能器的稳态工作过程进行了数值仿真,获得了消能器工作时的内部流场。通过与美国Lewis中心的消能器试验数据对比,发现仿真结果与试验结果吻合,验证了仿真方法的正确性。研究表明:消能器内部的一级筛网是产生能量损耗的主要来源,设置容腔及增大流通面积能有效降低气体的流动速度,多层筛网对均匀气体分布起到很好的效果。本文应用的流场仿真方法可以推广至其他类型的消能器,为增压消能器的选型、优化设计起到参考作用。     

动力系统大气垫容积启动充填仿真及试验研究

应用AMESim系统建模和仿真软件并考虑减压阀出口不同节流孔板孔径节流能力,建立了贮箱加注仅为满载加注量40％条件下的系统启动充填过程仿真模型。计算了电爆阀打开后贮箱出口压力变化曲线,获得系统初始充填时间。依据仿真结果结合系统实际情况完成系统冷试验证试验,试验结果与仿真计算数据基本一致。     

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。     

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。     

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.     

贮箱充填过程仿真和分析

应用AMESim系统建模和仿真软件并考虑管路摩擦和组件的热量传递因素,建立了贮箱充填过程仿真模型。计算了电爆阀打开后减压阀出口压力以及气瓶和贮箱压力变化曲线。仿真计算数据和试验结果基本一致。     

N_2O自增压贮箱的动态供应特性

建立了氧化亚氮(N_2O)贮箱自增压模型并完成了模型校验,获得的贮箱压力计算值与实验结果吻合良好。针对自增压贮箱供应液态介质时的动态工作特性开展了仿真计算,结果表明:在相同的质量流量下,供应液态推进剂比供应气态推进剂更有利于维持箱压和流量稳定;受蒸发吸热作用的影响,自增压贮箱在供应过程中压力总是呈下降趋势。给贮箱加热有利于减缓其压力的下降速度,但存在压力响应滞后、换热面积减小等问题,不易获得稳定的动态供应压力。     

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。     

新一代运载火箭增压技术研究

随着新一代运载火箭研制的开展,新型120t级高压补燃液氧煤油发动机将得到广泛的使用,该发动机采用的推进剂贮箱增压系统设计被列为新一代运载火箭研制的重大关键技术之一。在对国内外主要液体运载火箭增压方案进行分析的基础上对120t级液氧煤油发动机的贮箱增压系统进行了研究,提出了液氧贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气加温增压,煤油贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气增压方案,并针对液氧贮箱采用常温氦气加温增压的方案开展了理论分析和全尺寸系统级试验研究。理论分析和试验结果表明,该增压方案可行。     

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。     

发动机/扩压器不同安装方案对高模试车启动过程的影响

某上面级发动机高模试车时,喷管扩张段外壁面某处出现了氧化烧蚀,针对此现象进行了高模试车时的启动过程数值仿真研究,结果表明:试验状态和两种改进方案下,喷管内和扩压器内的流场均在0.1 s已经达到稳定状态,其马赫数和静压等流场参数不再随时间的推进而变化; 发动机在启动过程中,喷管出口的高温燃气均会倒流进入真空舱; 试验方案...     

多截面细径管结构参数对放气系统压降特性的影响

采用数值模拟方法研究了多截面细径管结构参数对放气系统压降特性的影响,得到了导管几何尺寸、导管内壁粗糙度和出口压力等参数对压降特性影响的变化规律。研究结果表明:缩短容器导管长度或扩大其内径对壅塞状态下的压降影响较小,但可以显著提高层流状态下气体的流动速度,从而减少放气时间;内壁粗糙度对壅塞状态下的压降特性影响较大,随着粗糙度的增大,压力下降速度有所降低,而对层流状态下的压降特性影响较小,在容器压力降至极低的情况下,粗糙度的影响可以忽略不计;出口压力对整个流动过程的放气速度影响较小,出口压力的进一步提高不会明显增加放气速度。该研究可为多截面细径管放气系统的优化设计提供依据。     

热力学排气系统中节流效应及其冷量利用分析

为更好地理解热力学排气系统(TVS)的运行机理，优化其运行参数，针对节流装置，建立了热力学模型，讨论了节流过程中状态参数的变化规律，对比了单相气体、单相液体节流的性能特性，进一步揭示了焦汤节流效应的原理，分析了不同节流背压下节流前低温工质(液氢和液氧)压力和温度对节流性能的影响，并结合TVS实际应用，阐述了节流最大制冷量的利用效果，提出了优化的TVS工作区间。研究表明：在节流过程不发生相变情况下单相气体节流制冷效应要比单相液体节流制冷效应更加显著；而在节流过程发生相变情况下液体节流至两相后，由于空化吸热导致流体温度降低，对于液氢，0.5MPa的压降可产生接近3 K的温降。对于液体节流，节流前压力对节流过程影响可忽略，〖JP2〗而节流前温度和节流背压对节流过程起主导作用；对于液氢在在轨运行工况下，考虑到节流制冷量的充分利用，同时保证换热过程体积含气率不高于90%，推荐TVS系统中节流背压范围为75～143 kPa。     

贫氧燃气流过有机玻璃圆管耦合传热数值模拟

为了掌握燃气流过有机玻璃圆管的降温情况,以设计出可实现所要求的燃气出口温度的降温装置,对燃气流过有机玻璃圆管内,管内壁径向热降解的变化过程进行数值模拟,将推导出的PMMA管内壁面平均升温速率与特征降解温度关系式结合动网格和质量掺混技术求解该问题,得到固定与不固定燃气入口面积情况下管内壁面轮廓的时间形及流场参数时间分布。计算结果表明,固定燃气入口面积较不固定燃气入口面积对燃气的降温量大;固定燃气入口面积时,入口处管内壁面的径向降解程度最小,距入口沿轴向一段距离处管内壁面的径向降解程度最大;不固定燃气入口面积时,入口处管内壁面径向降解程度最大,出口处管内壁面的径向降解程度最小。     

大推力姿控发动机推进剂控制阀流场分析

采用数值分析与试验研究相结合的方法,对姿控发动机控制阀内部流场进行分析.数值计算与试验数据相吻合,可以认为数值分析能够较真实地反映控制阀的内部流动特性.对流场参数的分析表明：来流撞击阀芯和阀口收缩节流,是控制阀内流动能量损失的两个主要环节,在结构设计中应尽量避免;另外,流道截面的连续性及流动空间的充分性也是控制阀内部结构设计需要考虑的重要环节.     

带凹槽结构的涡轮泵平衡活塞工作特性分析

在涡轮泵中设计平衡活塞结构是用来平衡轴向力的重要方法之一,平衡活塞通过调节涡轮泵叶轮和壳体间隙的压力分布降低轴向力大小,而在平衡活塞内增设凹槽结构则可以更好地平衡轴向力、扩大平衡轴向力的工作范围。针对凹槽结构的工作特性研究问题,建立了带不同凹槽结构的平衡活塞后泄漏流道数值仿真模型,并根据仿真结果对平衡活塞后泄漏流道内的...     

膨胀循环发动机推力室传热优化

针对膨胀循环发动机推力室身部燃气侧的内壁增强换热结构和冷却剂侧的冷却通道结构这两个影响推力室身部换热最关键的结构分别进行多种结构下的数值模拟对比。通过分析各结构的模拟结果,得到了能够合理提高推力室身部换热能力的内壁加肋结构和圆柱段冷却通道深宽比的结构特征。     

V型皱褶芯材夹层板对流换热性能评价及优化

为考察主动冷却式一体化热防护结构用V型皱褶芯材夹层结构的性能，文章采用Fluent软件模拟受恒定热流载荷皱褶芯材夹层板在强制对流条件下的传热过程，分析其换热特性和流道内流体流动规律；并在分析皱褶芯材夹层板中正三角和倒三角2种流道换热性能差异的基础上，提出相邻流道流向相反的改进方案。该方案可提高冷却剂的利用率，使结构温度分布更加均匀。相比于具有相同几何参数的波纹芯材夹层板，皱褶芯材夹层板具有更好的换热性能，但同时以更大的当量密度和进出口压降损失为代价。比较几种常用的热效率指标，并定义了一种同时考虑换热性能、泵功率和结构质量的热效率指标，再分别以不同的热效率指标为目标函数，对皱褶芯材的几何参数L、W和S进行初步优化设计。     

富氧燃气发生器液氧供应系统频率特性分析

为了研究富氧发生器液氧供应系统的动态特性,详细考虑液氧头腔中的流动过程和喷嘴动力学环节,建立了系统的传递矩阵模型。计算了系统在发生器室压扰动下的频率响应特性,并分析液氧头腔体积、喷嘴压降、喷嘴惯性和发动机工况对液氧供应系统动态响应的影响。结果表明,由于液氧头腔的容积较大,液氧喷注导纳主要取决于头腔和喷嘴的动态特性,出口流量幅值在很宽的频率范围内都较高。增大头腔体积,则增大出口流量的幅值,降低头腔中压力响应幅值。适当提高喷注压降或喷注单元的惯性,都能降低液氧喷注导纳的幅值。在低工况下出口流量幅值在300～800Hz之间增大,不利于该频率范围的耦合稳定性。     

空气泄入式扩压器内流场分析

空气泄入式扩压器是发动机高空模拟试验设备,扩压器内流场情况是评价扩压器性能的重要依据。使用CFD软件分析计算了三种不同空气间隙（0mm,10mm,20mm）的扩压器模型,得到了不同间隙下扩压器内流场压力、温度等参数的分布情况。探讨了发动机喷管偏心对扩压器内流场造成的影响。计算结果与试验数据相吻合,证明扩压器模型正确。