液体火箭发动机试验台贮箱增压系统模块化仿真

采用一维理想气体流动的有限元状态变量模型,运用模块化建模与仿真方法和Fortran90语言进行了某液体火箭发动机试验台贮箱增压系统工作过程的仿真,获得了细致的管网状态参数分布曲线,为分析贮箱增压系统的工作过程及各组件的作用提供了数值依据。数学模型和模块化建模与仿真方法显示出较好的有效性和通用性。      

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.      

减压器动态过程的数值仿真

针对贮箱增压过程和发动机工作过程中减压器的动态调节,建立了液体火箭发动机常用的反向卸荷式减压器的动态数学模型,采用四阶龙格-库塔方法进行了数值仿真,分析了减压器在启动增压过程中的动态特性,得到不同入口压力下减压器的出口压力与试验数据相一致的结论。表明所建立的数学模型准确,采用的仿真方法符合精度要求,对同类减压器的设计和系统分析具有一定的指导作用。      

液体火箭发动机试验台贮箱增压系统数值仿真

在不考虑传热传质的情况下建立了一种简化的贮箱模型, 并采用液体火箭发动机试验台气路系统通用模块化建模与仿真软件对容腔放气过程和某试验台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, 计算结果与分析解和试验结果获得了较好的一致, 验证了软件的有效性和通用性.对两个系统的建模过程表明软件所采用的模块化建模与仿真方法适用于对复杂管网的建模, 在液体火箭发动机系统仿真上具有较好的应用前景.对贮箱增压系统的仿真表明, 合理设计PID控制参数并根据经验预置与额定流量相近的调节阀初始开度, 对于提高增压系统起动过程的平稳性有利.      

火箭贮箱增压系统起动关闭过程压力冲击计算

为研究火箭贮箱增压系统起动、关闭瞬变过程中压力冲击的产生过程和传播规律,采用可应用于多种气体计算的拉格朗日坐标下的一维非定常气体运动方程有限差分格式求解管路流动,管路元件由反映其动态过程的常微分方程数值求解,气体摩擦损失使用准稳态公式计算.采用B-B(Beattie-Bridgeman)方程描述真实气体热力学关系.对某增压系统模型起动、关闭中包括压力冲击在内的动态过程进行了计算.计算表明:起动过程中,压力冲击变化大,压力振荡周期短、频率高、衰减迅速;关闭过程中,压力冲击变化小,压力振荡周期长、频率低、衰减缓慢.两种过程中都出现了高于气瓶增压压力的冲击压力峰值.数学模型和方法在火箭贮箱增压系统瞬变过程的计算中显示了较好的有效性.      

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.      

液体火箭发动机试验台气液管路系统故障仿真及分析

根据试验台和试验发动机的静态特性方程,重点针对试验台进行稳态故障效应仿真;采用一维不可压瞬变管流描述液路的流动过程,用特征线法对试验台液路系统的突发性故障所引起的瞬变特征和过度效应进行仿真;对储箱增压系统采用一维可压缩流的有限元状态变量模型描述气体管路的流动过程,并建立减压器、储箱工作过程的数学模型,用四阶龙格-库塔法对其进行故障仿真。仿真过程显示仿真模型和计算方法具有很好的适用性,能有效地建立试验台较为完善的故障模式库;通过分析仿真结果可以对现有试验台的改造、维护以及新试验台的改进设计进行指导。      

减压器增压过程中的振荡抑制措施

为解决大流量减压器在增压过程中出现的剧烈振荡问题,开展了仿真和试验研究.建立了减压器非稳态模型并开展数值计算,得到了减压器的振荡特性,该特性与试验结果基本一致.根据仿真结果提出了卸荷腔气体从入口管路引入的外置式卸荷方案.结果表明:该方案成功解决了振荡问题,减压器能够持续、稳定地增压.     

液体姿轨控发动机贮箱自动增压仿人智能控制研究

为研究液体姿轨控发动机自动增压方法,在理论分析自动增压系统性能的基础上,搭建了以孔板为控制元件的自动增压实验系统,采用仿人智能控制策略,开展了基于冷流实验的自动增压性能实验,并通过发动机试验验证,实现了发动机贮箱良好的平稳性、快速性和准确性。研究表明,在增压系统结构和增压气体介质给定的情况下,孔板节流面积、孔板出入口压力比、贮箱初始气垫体积决定了自动增压系统性能;根据发动机试验的推进剂流量需求,分别按推进剂体积流量60%,30%,10%的比例选取3个不同节流面积的增压气体孔板组成并联进气孔板组,同时保证进气孔板组可提供的增压气体最大临界体积流量大于推进剂体积流量（推荐二者比值为1~2.5）、孔板出入口增压气体压力比近似等于临界压力比（对氮气约为0.50~0.60）、贮箱初始气垫体积大于贮箱总容积的1/4,并在贮箱上设置流量为增压气体最大临界体积流量105%的排气孔板,在发动机工作过程中按照仿人智能控制策略自动组配孔板,可有效地提高自动增压性能。     

外激振动条件下气体减压器工作稳定性仿真研究

为研究运载火箭增压系统中减压器在外激振动条件下的工作稳定性,在减压器模型中通过壳体位移坐标引入振动激励源,建立了可模拟减压器在外激振动条件下工作过程的计算模型,对外激随机振动条件下增压系统动态工作过程进行了仿真.针对仿真发现的减压器下游压力振荡的不稳定现象,对减压器下游不同管路尺寸和减压器不同参数下的系统工作过程进行了对比计算.计算结果显示:增大减压器下游管路尺寸，减小减压器阀芯组件质量与减小阀芯组件与壳体间滑动摩擦力,都可以使压力振荡过程减弱,有利于改善减压器在外激振动过程下的工作稳定性.计算结果为减压器及增压系统的设计和优化提供了参考.      

预存气体闭端管路的充填水击研究

为提升补燃循环发动机仿真平台的分布参数计算能力,针对常温液体充填预存气体闭端管路的水击现象,本文使用Modelica语言基于MWorks平台建立了一维有限体积的管路充填模型,并分别使用该模型和集中参数模型对现有文献中的充填水击实验进行了仿真模拟,结果表明：对于预存气体0.1MPa的工况下,一维有限体积模型与集中参数模型对实验的模拟度均较为接近;而在管路接近真空的工况下,一维有限体积模型的计算结果与实验数据吻合度很高,集中参数模型误差则高达76%左右。在不同预存气体压力下的计算结果表明：在管路刚度一定的条件下,预存气体压力0.1MPa以下时,气体的压缩缓冲作用是充填过程中水击压力峰值得到减弱的主要原因;在预存气体压力0.1MPa以上时,气体的缓冲作用与充填流量的减小共同导致了充填水击压力峰值的减弱。对不同弹性管路的计算表明：在闭端管路的充填过程中,管壁弹性对近真空管路的影响相对较大,对预存气体压力较大的管路几乎没有影响。     

准一维可压缩瞬变管流的有限体积模型(Ⅰ)流场的有限体积模型

针对现有流体系统一维动力学模型缺乏统一的理论推导过程和能够涵盖众多模型的基本方程组的现象,从适用于连续介质控制体的欧拉型积分形式的流动守恒方程出发,经过合理模化推导得到了可压缩变截面管流准一维瞬变流动积分形式和微分形式的守恒方程.通过保留能量方程中的变体积项考虑了由于控制体体积的改变所输出的膨胀功.通过对守恒方程在空间交错网格上的有限体积离散建立了一种计算准一维可压缩变截面管流瞬变流场的有限体积模型,该模型可考虑变体积、变物性、轴向热传导、重力场影响,一方面,在深化和阐明了有限元状态变量模型体系的理论基础的同时,拓宽了其对瞬变流动的适用范围,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模型.      

滑阀先导式高压气动减压阀结冰特性

针对自主研制的高压气动比例减压阀出现的结冰问题,结合数学仿真和流场计算进行了深入分析。结冰出现在先导阀中间腔而非温度最低的主阀排气腔说明温度并非导致结冰的唯一因素。建立了减压阀的数学模型,计算得出先导阀节流口面积比与先导阀中间腔压力以及温度的关系曲线,并得出使用2级和3级气源时先导阀中间腔结露的临界面积比分别为1.70和1.22。仿真结果表明,通过减小先导阀节流口面积比可以提高先导阀中间腔温度从而减少结冰的可能性。建立了先导阀的网格模型,用Fluent计算出阀内的流场分布,压力流场分布与理论计算符合得较好;速度流场及气流流线图表明出现结冰与气流受阀内结构阻挡有关,通过合理设计流道可有效避免结冰。     

液体火箭发动机燃烧室的一种分区模型

发展了燃烧室的分区模型 :将燃烧室分为两个区 ,一个是燃烧区 ,采用时滞燃烧瞬时均匀混合模型 ,另一个是流动区 ,连同喷管一起 ,采用一维理想气体流动的有限元状态变量模型。给出了一个利用该模型计算发动机起动过程的一个算例 ,计算结果表明该模型可较好地描述液体火箭发动机燃烧室的建压及非稳态流动过程。模型采用状态方程形式 ,具有形式简单、计算简便的特点 ,适用于液体火箭发动机的控制与仿真     

注塑模熔体非牛顿流动的数值模拟

研究注塑模流动的数值模拟。用有限元-有限差分方法模拟非牛顿流体的压力场和温度场,用流体网格法（FAN）模拟熔体锋面的推进过程,这种方法具有通用性好和容易实现自动推进的优点。在486微机上对几个算例进行了模拟计算。比较了牛顿和非牛顿流体的流动特点和锋面推进自动处理的效果,得到了满意的结果。     

液压放大式超磁致伸缩直驱式伺服阀的设计与实验

研制了一种基于液压式微位移放大机构的超磁致伸缩直驱式电液伺服阀,在保证较大体积流量的前提下,提高了直驱式电液伺服阀的频响.采用弹性力学理论、有限元和计算流体力学(CFD)方法对直驱式电液伺服阀进行了结构设计和分析,并制作了超磁致伸缩直驱阀样机,在AMESim下建立其磁-机-液耦合模型.仿真和试验表明:所设计的超磁致伸缩直驱阀的频响超过100Hz和系统油压21MPa下的负载体积流量达到30L/min.      

用温度修正的k-ε模型研究排气系统红外辐射特性

为研究温度修正的k-ε湍流模型对排气系统红外辐射特性计算精度的改善程度,计算了某轴对称收敛喷管在3~5μm波段的空腔-喷流组合红外辐射特性,并与试验结果对比.喷管流场及温度场采用有限体积法(FVM)求解Navier-Stokes(N-S)方程得到,湍流模型分别采用标准k-ε模型和温度修正的k-ε模型.红外辐射特性的计算采用有限体积法求解吸收-发射性介质条件下的三维辐射传输方程,并考虑大气衰减作用.计算结果表明:温度修正的k-ε模型可有效预测排气系统热喷流的核心区长度,从而获得与试验结果一致的红外辐射强度.与标准k-ε模型相比,采用温度修正的k-ε模型计算得到的红外辐射强度的最大相对误差由64%降至了4.3%,说明温度修正的k-ε模型适用于精确模拟排气系统的红外辐射特性.      

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.