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.      

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.      

N2O贮箱自增压模拟

基于Zilliac的三区假设,建立了贮箱液相自增压供应模型,使用Peng-Robinson状态方程进行模型推导,并建立了自增压实验系统进行模型验证.研究结果表明:自增压过程中,贮箱饱和温度介于气相和液相温度之间,且更加接近于液相温度.模型能够较好地模拟贮箱压力和液相温度的变化,然而气相区域由于温度分层的存在使得集总参数模拟误差较大,故需要采用气相区域具有更多节点的集总参数模型进行模拟.      

差动活塞式热气自增压系统静态特性仿真研究

为了深入理解液体姿轨控发动机差动活塞式热气自增压系统的特点,依据增压系统平衡条件,采用集中参数法构建了系统的静态特性计算模型,研究了系统主要参数对系统状态和增压性能以及对系统自锁压力的影响规律。研究结果表明:系统增压气体流量朝着推进剂贮箱压力变化相反的方向而变化,起到调节和稳定推进剂贮箱压力的作用;燃气发生器毛细管参数的变化主要对系统增压流量造成影响,与长度相比,其内径变化对系统状态参数的影响作用更大;当压力放大比在设计值附近[-7.3%,+9.6%]变化时,系统稳态工作增压气体流量偏差保持在[-5%,0%]内;流量调节器结构参数的微小变动会引起增压气体流量的较大变化。     

航空发动机机匣壁面温度分布数值模拟与分析

为了准确预测航空发动机机匣壁面的温度分布,通过建立发动机性能计算模型,借助发动机沿程热力循环参数计算的通用方法,利用管内流体对管壁的对流换热过程,开发了发动机机匣热壁1维数值计算软件,模拟了飞机包线内某个发动机状态下发动机机匣表面的温度场,并进行了试验验证。将计算结果与试验结果对比可知,温度分布曲线除外涵区外趋势基本一致。该方法将可将发动机机匣壁面温度作为单独模块进行模拟计算,可以为发动机设计和调试提供较为准确的参考数值。     

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.      

准一维可压缩瞬变管流的有限体积模型(Ⅱ)管壁温度场的有限体积模型

在流场模型的基础上,通过对圆柱坐标系下轴对称管道壁面划分的二维有限体积网格,建立了一种计算管壁瞬变传热的有限体积模型,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.温度场模型是流场建模思想的自然延伸,对二者的组合运用即为所发展的可仿真准一维可压缩流管内瞬变流动的有限体积模型,一方面,在流场仿真的体系内发展了传热计算的部分并最终扩展成为统一的流动/传热仿真体系,另一方面,结合阀芯节流模型,从此模型出发可推导出管路系统常见元件的流场和温度场模型.对某发动机试验台液氧贮箱增压系统的建模与仿真表明,提出的模型体系具有很好的适用范围和良好的仿真精度.      

一种计算再生冷却推力室温度场的方法

为了能够快速而准确地得到再生冷却推力室的温度分布,建立了一种计算再生冷却推力室温度场的方法。首先建立了轴对称推力室的一维冷却模型,并使用换热经验公式,得到了推力室壁面在轴线方向上的温度分布;其次建立了推力室的冷却套二维导热模型,使用数值模拟的方法和一维计算的结果,得到了冷却套的温度场。然后使用这种方法研究了气壁材料、气壁厚度和冷却液流量对推力室再生冷却的影响,获得了比较满意的结果。从计算时间和准确性来说,这种方法能够为推力室的优化设计和性能估算提供参考。      

微贮箱移动电子束焊接传热数值分析

建立了某姿轨控发动机推进剂贮箱移动电子束焊接热源的焊接温度场数值仿真模型，采用锥体热源描述电子束焊接热源，通过等价比热容法来处理熔化潜热，得到电子束焊接过程中贮箱温度、焊接熔池形状和尺寸随时间的变化状况.结果表明:仿真计算所得贮箱温度与实测数据的差异小于10%.在焊接过程中，利用安装在贮箱外表面的纯铜散热盘可以将贮箱半膜处的温度从503K降低至364K以下，避免了焊接过程中贮箱温度过高出现结构损伤.该计算方法与结构散热方式可为其他产品的焊接提供借鉴与参考.      

Simulation of mass and heat transfer in liquid hydrogen tanks during pressurizing

In order to accurately predict the heat and mass transfer behaviors and analyze key factors affecting pressurization process in the hydrogen tank, a comprehensive 2 D axial symmetry Volume-Of-Fluid(VOF) model is established by Computational Fluid Dynamics(CFD) method.The effects of phase change, turbulence and mass diffusion are included in the model and relationships between physical properties and temperature are also comprehensively considered. The phase change model is based on Hertz-Knudsen equation and the mass transfer time relaxation factor is determined by the NASA's experimental data. The mass diffusion model is included in gaseous helium pressurizing. The key factors including the inlet temperature, inlet mass flow rate, injector types and pressurizing gas kinds are quantitatively analyzed. Compared with the experiment, the simulation results show that the deviation of pressurizing gas mass consumption, condensing mass and ullage temperature are 3.0%, 7.5% and 4.0% respectively. The temperature stratification is existed along the axial direction in the surface liquid region and the ullage region, and the bulk liquid is in subcooled state during pressurizing. The location of phase change mainly appears near the vapor–liquid interface, and the mass transfer expressing as condensation or vaporization is mainly determined by the heat convection and molecular concentration near the vapor–liquid interface.The key factors show that increasing the inlet temperature and inlet mass flow rate could shorten the pressurizing time interval and save the pressurizing gas mass. The proportion of the total energy addition of the tank absorbed by the ullage region, the liquid region and the tank wall respectively is greatly influenced by the injector types and more heat transferred into the ullage would result in a faster pressure rising rate. Gaseous hydrogen pressurization has a higher efficiency than gaseous helium pressurization. The simulation results presented in this paper can be used as a reference for design optimization of the pressurization systems of cryogenic liquid launch vehicles so as to save the mass of pressurizing gases and shorten the pressurizing time interval.     

双工况氢氧发动机燃烧与传热数值分析

应用三维湍流N-S方程以及颗粒轨道模型描述双工况氢氧发动机内部喷雾两相燃烧流动过程。两相之间的质量、能量交换由液滴蒸发模型计算，气相化学反应速率由Arrhenius公式计算。通过耦合求解气液两相的模型方程，对发动机转工况前后的三维流场进行了数值计算，并耦合计算了燃气与壁面之间的传热以确定壁面的温度和热流分布。另外还对分别采用同轴离心式喷嘴和直流式喷嘴得到的燃烧流场与燃烧效率进行了比较。计算结果表明转工况前的壁面温度与热流都比转工况后大。离心式喷嘴的雾化混合效果与燃烧效率都比直流式喷嘴好。     

燃烧室辐射换热一维区域法模型研究

目前用于工程计算燃烧室辐射热流的Lefebvre零维辐射模型,不考虑燃气区域对附近壁面的辐射影响,过于简化,不能反映实际燃烧室火焰筒内的辐射换热过程。本文发展了一种机理严密,精度高的用于燃烧室壁温计算的区域法辐射换热模型。文中采用Lefebvre模型和区域法模型计算了一个圆筒型不冷却火焰筒结构的换热;对比分析了两种方法计算的壁面辐射热流和壁面温度分布情况。结果表明,使用Lefebvre模型计算时,由于将燃气按一维划分为定向辐射,在燃烧室前后壁面辐射热流较小,存在一定不足;而使用区域法模型计算时,辐射热流分布更趋合理。     

Oxygen concentration variation in ullage influenced by dissolved oxygen evolution

To determine the oxygen concentration variation in ullage that results from dissolved oxygen evolution in an inert aircraft fuel tank, the CFD method with a mass transfer source is applied in the present study. An experimental system is also designed to evaluate the accuracy of the CFD simulations. The dissolved oxygen evolution is simulated under different conditions of fuel load and initial oxygen concentration in ullage of an inert fuel tank with stimulations of heating and pressure decrease. The increase in the oxygen concentration in ullage ranges from 0.82% to 5.92% upon stimulation of heating and from 0.735% to 12.36% upon stimulation of a pressure decrease for an inert ullage in the simulations. The heating accelerates the release of the dissolved oxygen from the fuel by increasing the mass transfer rate in the mass transfer source and decreasing the pressure, thereby accelerating the dissolved oxygen evolution by increasing the concentration difference between the gas and the fuel. The time constant that represents the oxygen evolution rate is independent of the initial oxygen concentration in ullage of an inert tank but depends closely on the fuel load, temperature and pressure. The time constant can be fitted using a polynomial equation relating the fuel load to temperature in the heating stimulation with an accuracy of 4.77%. Upon stimulation of a pressure decrease, the time constant can be expressed in terms of the fuel load and the pressure, with an accuracy of 5.02%.     

液氧甲烷发动机台阶型冷却通道的耦合传热特性

为了研究液氧甲烷发动机再生冷却通道中跨临界甲烷的流动和传热特性,以及冷却通道较大幅度的突扩突缩对冷却效果的影响,采用整场直接耦合的方法对推力室三维耦合传热进行了数值模拟,考虑了燃气的非平衡流动.通过计算得到了推力室三维温度场和流场.计算结果表明：由于喉部截面附近存在较强的二次流,燃气侧壁面温度的最大值出现在喉部上游.由于突扩突缩处存在较强的旋涡运动,冷却剂的湍流强度增强,冷却剂侧表面传热系数显著提高,燃气侧壁面温度出现局部极小值,同时也产生了较大的局部损失.由于铜内衬热阻比镍外套热阻小得多,从燃烧室进入的大部分热量在冷却通道底面和侧面被冷却剂吸收.冷却通道底面的温度和热流密度沿程变化比顶面更剧烈.     

燃烧室新型席壁结构的壁温计算

建立了考虑壁面纵向导热的计算席壁壁温的七热流模型。提出了求解该模型的方法, 并考虑物性参数随温度的变化等因素, 据此, 分别对设计状态和实验状态下的席壁火焰筒的内外壁温的分布进行了计算, 并与原型气膜冷却的壁温分布及实验值进行了比较。计算结果表明, 与实验值基本吻合, 并表现出良好的冷却性能。其冷却空气量比原型节省20%左右, 壁温明显低于原型, 且沿轴向分布均匀, 因而可望较大地提高火焰筒的使用寿命或涡轮前燃气温度。      

封闭水域内固体火箭发动机尾流结构数值研究

为了研究固体火箭发动机在封闭水域中工作时尾流场特性参数变化规律,建立三维空间模型,忽略重浮力等体积力及燃气与水之间的换热传质,采用Realizable k-ε湍流模型与VOF(Volume of fluid)多相流模型,针对试验水箱内固体发动机在不同水深条件下的工作过程进行数值模拟,获得尾流流场燃气射流形貌,以及水箱壁...