长期在轨贮存低温推进剂过冷度获取方案研究

增大低温推进剂入轨时的过冷度可显著延长低温燃料在轨贮存期限.通过文献调研与理论分析,介绍了4种低温推进剂过冷度获取方案的工作过程与研究现状,分析了不同方案的优缺点,在此基础上提出了我国开展相关研究的思路.研究表明:①为了减小过冷度获取成本,应采用先加注后冷却的操作程序,且制冷系统尽可能靠近目标贮箱;②液氧、液态甲烷可通过液氮池沸腾提供过冷度;③氦气喷射预冷消耗氦气量巨大,建议仅针对小型液氢采用此技术;④热力学低温流体过冷器(TCS)技术具有总体质量轻、投入能量少等优点,在液氢过冷度获取方面具有可观的应用前景.可为我国开展低温推进剂过冷度相关研究提供参考.      

低温推进剂过冷技术研究

综述了低温推进剂3种过冷方式（换热过冷、抽空减压过冷和冷氦气鼓泡过冷）的过冷机理，并对比分析了其利弊，在地面全过程过冷加注时推荐采用抽空减压过冷对低温推进剂进行冷却.基于热力学理论推导了低温推进剂抽空减压过冷时耗液量、制冷量、抽空时间和泵最低抽速的表达式.研究得出低温推进剂耗液量主要用于自身温降，抵消外部漏热和贮罐材料比热容所占比例很小，如液氢自身过冷、材料比热容和外部漏热所占的相对耗液量分别为10.94%，0.38%，0.098%.推荐采用变物性算法来精确计算低温推进剂耗液量，可降低运载火箭发射成本，提高低温推进剂利用率，与现有公式对比，其相对误差为18%.      

考虑非平衡效应的过冷水滴凝固特性

非平衡凝固是过冷条件下水滴凝固过程的重要现象。本文针对飞机结冰过程过冷水滴的非平衡凝固效应,发展了改进的凝固特性预测模型及数值计算方法,并自行搭建了实验系统,开展了所建过冷水滴凝固模型与数值预测方法的实验验证。研究表明,所发展的改进模型可有效表征水滴过冷阶段的非平衡凝固效应,因而对冷水滴凝固速率的预测有较好的改进;当过冷度为0℃时,过冷模型退化为传统模型。基于所建方法,开展了过冷度及冷却条件对水滴凝固特性的影响分析,获得了不同条件下水滴凝固过程的温度分布及相界面变化特征。研究表明,过冷度越大或水滴尺度越小,凝固速率相对越高;在考虑非平衡凝固效应的条件下,过冷水滴凝固速率要高于不考虑非平衡凝固效应的工况。相关研究可为结冰热力学模型的改进,以及结冰特性的精细化预测提供参考。     

过冷水滴凝固机理及凝固组织特征

针对飞机过冷水滴结冰的精细化预测需求，基于相变热力学与相变动力学相关理论，采用示差扫描量热法（DSC）、结冰风洞试验及微结构测试相结合的方法，研究了过冷水滴凝固过程的热力学机理及凝固组织特征。基于示差扫描量热法，研究了冷却速率及形核条件对结晶凝固特性的影响规律；基于结冰风洞试验开展了不同温度条件下冰相的宏观形貌及微结构特征研究。结果表明，过冷条件及冷却速率是影响过冷水滴结晶速率及结晶完善程度的重要因素。降温速率越大，结晶速率常数增大、结晶速率相应提高。同时，结晶峰变宽，结晶初始温度向低温方向移动，过冷效应相对显著；反之亦然。过冷度及冷却速率对冰相的宏观及微观形貌均有着重要影响。过冷度越大则相同时间内冷却速率越大，晶体生长过程越不充分，晶体不规则程度相对较高，同时晶粒密度变大、尺度变小，冰相表观透明度相对降低；反之，过冷度越小，则晶粒密度变小、尺度变大，冰相表观透明度相对较高。异相形核条件对加速结晶过程有重要促进作用，晶种的存在可有效加速二次结晶的触发，使过冷效应显著减弱。相关研究可为飞机结冰速率、冰相物理特征及冰形宏观形貌的精细化预测提供参考。     

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.      

Al-4.5％Cu合金的过冷及凝固组织特征

对Ａｌ－４．５％Ｃｕ合金在纯石黑坩埚中用卤盐熔剂净化后的过冷度及其在金属锭模中的凝固组织特征进行了研究。实验结果发现：粘度较大的半固态熔剂对合金的净化作用较强,可使合金在金属锭模中得到６２℃的形核过冷度;金属熔体净化得到的热力学过冷度对合金形核及最终宏观组织的影响明显不同于激冷得到的动力学过冷度对其所产生的影响,在一定过冷度下,晶粒尺寸随热力学过冷度的增大而增大     

基于不同相变模型的微重力液氢贮箱内压力与温度分布仿真预示

受空间热流的作用,相变是低温推进剂在轨压力控制中需要被考虑到的影响因素。为研究液氢贮箱内的流体行为特性,建立了低温流体CFD仿真模型,对于相变过程,基于不同的相变传质理论,建立了四种相变仿真模型。根据NASA开展的AS-203液氢贮箱压力上升试验数据,对封闭贮箱内压力上升和温度分布开展仿真预示,分析了不同相变仿真模型对压力上升和温度分布预示的结果。结果表明,相变模型1和相变模型3得到的压力上升速率和温度场结果与试验结果趋势较为一致。受到算法和适用性的影响,相变模型2和相变模型4对AS-203液氢贮箱的温度预示偏差较大,相变模型4对压力上升的预示偏差较大。     

真空条件下液滴闪蒸的非均温建模与分析

为深入揭示液滴在真空环境下的闪蒸机理，建立了真空闪蒸全过程、非均温的传热传质数学模型，获得了各时刻液滴温度场及半径，并能够追踪结冰阶段的相变界面位置.通过开展液滴闪蒸的实验研究，观察了相变前后液滴的形态变化，并对数值模型进行了验证.基于数学模型，研究了液滴初始半径、初始温度、真空舱压力和结冰过冷度对闪蒸过程的影响规律.结果表明:真空舱压力是影响闪蒸过程的主要因素，且会影响最终平衡温度；初始半径主要影响预冷和冻结时间，而初始温度和结冰过冷度主要只影响预冷时间.      

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。     

发散冷却系统冷却能力的数值分析

以给定冷却工质质量流速下系统所能承受的最大热流表征冷却能力,对影响发散冷却系统冷却能力的主要因素进行了数值研究。理论分析和数值计算结果表明:发散冷却的冷却能力受冷却工质的吸热能力和冷却工质与固体骨架之间的换热能力共同制约。在小冷却工质质量流速下,发散冷却系统的冷却能力主要取决于冷却工质吸热能力,而随着冷却工质质量流速的增加,流固换热能力则逐渐成为决定冷却能力的主要因素,进而导致固体热导率和冷却工质比热容对发散冷却系统冷却能力的影响在不同冷却工质质量流速下存在显著差异。      

垂直上升弹状流中弹状氢气泡运动速度

针对垂直管路内气液两相流实验化困难的问题,运用建模仿真的方法建立了竖直管路中弹状流气泡的运动模型,模拟了弹状氢气泡在垂直管路的上升过程,并对其运动速度进行了研究.仿真结果表明:在静置的竖直管道内,充分发展的弹状氢气泡的速度基本上以0.2265m/s的速度匀速上升;弹状氢气泡在流动液氢中运动时,其速度模型中的速度系数与流体的速度有关,当雷诺数从220上升到6400时,其系数的值从1.83下降到1.14;在未充分发展的弹状流系统中,气泡间距对气泡速度分布有着影响,其上升速度随着气泡间距的减小而增大.      

平流层浮空器保压指标对驻空性能的影响

地面保压试验是综合评估囊体材料性能的重要手段,其设计指标将影响平流层浮空器总体驻空高度与时间的变化范围。以球形超压平流层浮空器为例,建立了驻空高度运动学模型、热力学模型及基于微孔损伤的氦气渗透模型,综合考虑驻空过程中力、热耦合引起的浮空器内部氦气压力、温度和质量等的实时变化,以囊体材料微孔当量直径为桥梁建立了平流层浮空器地面保压指标与驻空高度、驻空时间的耦合关系,通过定量分析不同保压指标下浮空器驻空性能的变化情况,提取影响规律,为保压指标的合理设计提供总体参考。     

平流层飞艇驻空过程中热力学特性及影响因素研究

基于平流层环境特点,分析了影响平流层飞艇热平衡的基本热源和换热途径,建立了平流层飞艇气囊冷热面以及内部氦气之间热平衡仿真模型,并在此基础上对某概念飞艇进行了仿真分析,得出了飞艇气囊冷热面以及内部氦气随时间变化规律;采用定量分析方法,重点分析了太阳辐射吸收率、红外辐射发射率以及空速等因素对氦气温度变化的影响程度及氦气温度随其变化的关系。计算结果表明,所建立的模型可较好的描述各因素对氦气温度的影响,可为平流层飞艇总体设计提供依据。     

多囊体临近空间飞艇多要素耦合建模与仿真

针对多囊体临近空间飞艇多要素耦合仿真及长航时能力评估的迫切需求，详细阐述了多囊体临近空间飞艇六自由度位置与姿态动力学模型、环境热力学模型、内外囊体热力学模型及囊体氦气损失模型，通过位置、时间、姿态、空速等动力学输出信息与压力成形体积、氦气质量等热力学输出信息实现平台力热动态耦合，能够全面反映飞艇在大气环境及操纵力作用下力热耦合变化规律，具备飞艇平台超热超压安全下的长航时定量评估能力。通过仿真发现，囊体内氦气在随风飘状态下最大超热达到55℃左右，为保证内外囊体白天压力安全需主动释放氦气导致飞行高度上升约100 m，夜晚囊体内压将至0 Pa无法维形保持浮力导致驻空高度快速降低，姿态振荡加剧，驻空航时仅有26.5 h，且动力全开无法获得稳定的航向飞行，空速来流降温无法最大效能发挥，需要控制系统接入实现动态闭环航路飞行，才能实现长航时飞行，具有重要的工程应用价值。     

过冷大水滴动力学特性对结冰影响数值研究

对比常规水滴,过冷大水滴结冰对飞机气动性能和飞行安全具有更大的危害性。在常规水滴结冰过程数值模拟基础上,针对过冷大水滴条件下各种动力学特性及其对成冰过程的影响进行了数值研究。采用结构化网格和中心有限体积法求解 N-S 方程获得空气流场,用拉格朗日法求解水滴流场,基于改进的 Messinger 热力学模型完成结冰过程模拟;对于过冷大水滴,采用泰勒类比理论和水滴碰撞模型,对比分析了水滴动力学特性及其对结冰过程的影响;通过数值模拟获得了水滴 Langmuir D 分布的撞击特性及结冰计算结果,研究了水滴多尺度分布对成冰过程的影响规律。通过一些典型结冰算例的数值模拟,并与参考文献结果及实验数据的对比分析,说明了本文计算方法及计算模型模拟过冷大水滴结冰是可行和正确的。     

滚动轴承-火箭发动机液氢涡轮泵转子系统的动力特性分析

用有限元方法建立火箭发动机液氢涡轮泵转子的离散化模型,并提出考虑滚动轴承内间隙、运行表面波纹度和滚动体离心力等因素的二自由度滚动轴承模型,从而建立了滚动轴承－液氢涡轮泵转子系统的非线性动力学模型。通过数值仿真研究了液氢涡轮泵转子系统动力学问题集中的启动阶段的非线性动力特性。发现在启动阶段不但有同步共振,而且会发生亚谐共振。径向载荷的大小会显著影响同步及亚谐共振的起始时间。滚动体的离心力和滚动轴承的波纹度对转子系统的动力特性有明显影响。     

过冷状态下二维枝晶生长的相场方法模拟

通过相场理论建立了纯物质镍在过冷溶液中枝晶生长的相场模型。把相场方程和温度场方程进行耦合,建立了相对应的相场模型。该模型以熵增加函数为基础,通过熵增加函数推导出热力学一致性的相场控制方程。利用上述的模型和方法在计算机上编制二维组织凝固模拟程序得出结论,各向异性强度影响枝晶尖端生长速度,过冷度决定凝固速度的快慢。     

基于燃气射流冷凝的氧路系统频率特性研究

基于热力学不平衡两流体六方程模型模拟了液氧煤油补燃循环发动机燃气射流在氧路系统泵间管路液氧流体中的冷凝过程，获得了燃气射流冷凝特征参数沿管路流向的分布规律。根据Rayleigh-Plesset方程和燃气射流特性建立了泵间管路燃气冷凝过程的传递函数模型，并与氧路管路、泵等组件模型联立求解，分析了发动机氧路系统频率特性。研究了在不同氧路入口压力和液氧温度边界条件下，泵间管路燃气射流冷凝过程对氧路系统频率特性的影响，仿真结果表明高入口压力和过冷液氧改变了射流气体的惯性和柔度，使得氧路系统特征频率增大。不同边界条件下发动机热试车结果表明，提高氧路入口压力或降低液氧温度使得氧路系统频率从8.3 Hz提高至11 Hz，与数值仿真结果一致，验证了泵间管燃气射流冷凝过程是影响氧路系统频率特性的重要环节。     

深冷组合循环发动机吸气模态循环分析与设计可行域研究

为了研究类似SABRE3结构的深冷组合循环发动机,建立了基于部件法的发动机设计点热力学计算模型,提出了发动机氦循环新的循环效率和循环特征参数的定义。考虑发动机参数的物理限制条件及不同工质循环之间的相互影响,求解得到了空气路、氦气路重要参数的设计可行域。在可行域内开展了空气路和氦气路的循环分析,获到了冷却当量比、性能参数等主要参数的分布结果。结果表明:此发动机空气热功转换比ηt2为0.02～0.746。氦循环设计可行域受ηt2及换热器热负荷限制;循环起始温度和热负荷限制确定的情况下,ηt2越低氦循环可行域越窄。降低发动机冷却当量比的关键是:提高换热器1的氦出口温度以降低氦流量;当换热器1和换热器2的氦出口温度同时取得最大值时,冷却当量比取得最小值。换热器1和2的氦出口温度分别取1200K和1300K时,空气路可行域内冷却当量比为0.917～2.64。     

热力学效应对液氢非定常空化流动的影响

为研究热力学效应对低温流体非定常空化流动的影响,以液氢为研究对象,采用大涡模拟计算了热力学和等温条件下液氢绕回转体的非定常空化流动。计算结果表明:热力学效应延长了液氢的空化周期,增强了空化的非定常特性,抑制了空化的发展。热力学条件下的空泡团内部包含更细、更小的气泡,呈现出多孔质特征,且使整个流域存在1.5K左右的温度波动。通过旋涡运动分析发现,热力学效应使旋涡结构由空穴交界面向空穴内部移动。基于涡量传输方程分析了热力学和等温条件下空穴和旋涡的交互作用,发现在热力学条件下,旋涡伸长项的作用位置主要位于空穴前端和尾端的交界面处,旋涡扩张项和斜压扭矩项主要位于空穴内部;在等温条件下,旋涡伸长项和旋涡扩张项主要位于空穴上方交界面处,斜压扭矩项主要位于空穴尾端。