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.      

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(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.      

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。     

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。      

液体火箭贮箱增压排液过程温度场数值研究

针对某液体火箭贮箱增压排液过程,采用二维数值模拟方法对其温度场进行计算.选用低雷诺数k-ε模型分析流体与固壁间的耦合换热,考虑到气液之间发生热质转移现象,编写了控制相变的用户自定义程序(UDF)并植入Fluent软件.采用文献实验数据对相同工况下的计算结果进行验证,对比结果表明所建立的二维模型能够有效预测气枕温度、壁面温度沿轴向分布规律.数值模拟结果发现:气体扩散器入口方向、入口面积对气枕温度、壁面温度的轴向分布影响较弱,而对靠近增压口附近的温度场影响明显.当增压气体竖直向下进入气枕时,贮箱上封头附近气枕温度较低,有利于保障安全阀的可靠运行.当增压气体水平进入气枕时,扩散器直径变大,贮箱顶端高温区范围相应扩大.      

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.      

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。     

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.      

火箭发动机增压系统关键换热参数辨识

针对火箭增压系统设计过程中关键换热参数难以确定的问题,提出1种基于混沌自适应粒子群算法（ACPSO）的增压系统换热参数辨识方法。建立了考虑换热模型的液体火箭增压系统非线性数学模型,通过灵敏度分析筛选出待识别参数,采用含有早熟抑制和惯性权重自适应调节策略的粒子群方法对选定参量进行辨识,对引入了权重衰减机制的均方根目标函数进行优化。结果表明：辨识后的仿真曲线与实测曲线具有良好的一致性,氧箱增压电磁阀打开时间仿真值与实测值偏差低于3%,气瓶1次飞行结束温度仿真值与实测值仅相差2.4 K。将辨识结果应用于某相似的新研型号,气瓶设计容积和质量相比绝热假设的设计方案降低了32 L和11.6 kg,有效减少了由设计过度冗余造成的额外试验和设计迭代成本。     

减压器动态仿真的有限体积模型

通过对一维理想气体流动的有限元状态变量模型推导过程的拓展，获得了适用于变体积容腔的气体容积模型，并结合气体管道、气体阀门的有限元状态变量模型，通过对三者的组合运用发展了一种可仿真气体减压器动态工作过程的有限体积模型。采用此模型分别对某逆向卸荷膜片式减压器和某贮箱增压系统所用减压器进行了动态工作过程的仿真，前者仿真结果的稳态值与早期文献的实验数据和仿真结果相一致。表明有限体积模型的稳态精度合乎工程需要；后者的仿真获得了减压器各个腔室状态参数和阀芯开度的响应曲线，表明贮箱增压过程可以分为启动段、稳定段两个阶段，同时表明在理想气体绝热流动的假设下节流前后温度基本不变。数学模型和建模方法显示出良好的有效性和通用性。     

差动活塞式热气自增压系统方案研究

针对液体姿轨控发动机差动活塞式热气自增压系统,设计了间接比对式、直接比对式和电磁阀控制式等三种方案,分析了系统工作原理,建立了动态仿真模型,进行了动态特性研究,并分析了各方案技术特点。研究结果表明：间接比对式系统起动药量为2.64g,起动时间为0.688s,系统自锁时贮箱压力为7.58MPa（偏离额定值9.86%）;可预包装设计。直接比对式系统起动药量小（2.43g）,起动响应快（0.573s）,推进剂贮箱最大工作压力小（7.09MPa,2.75%）;该方案引入了阀芯杆处热滑动密封及流量调节器气液腔隔离面的热隔离防护需求,热控要求高,技术难度较大;可预包装设计。电磁阀控制式系统起动药量小（2.43g）,起动迅速（0.438s）,推进剂贮箱工作压力稳定;测控的引入有功耗需求,并增大了系统体积和质量,不能进行独立的预包装设计。     

航空活塞发动机涡轮增压系统的安全边界研究

针对高空长航时无人机的动力性和安全性要求,首先应用MATLAB/Simulink对某型一级航空活塞发动机涡轮增压系统建立联合仿真模型.模型主要分为四部分:涡轮增压器模型、发动机平均值模型、中冷器模型和废气阀模型,并根据实验数据对仿真结果进行了校核,确保模型的可行性.在此基础上从整个系统的角度出发研究活塞发动机涡轮增压系统的安全边界,通过发动机级的安全边界要求给出增压器级的安全要求,同时分析主要参数对系统安全性的影响.最后,建立基于安全边界的废气阀的调节规律,使整个活塞发动机涡轮增压系统运行在安全边界之内.结果表明:基于模型的活塞发动机涡轮增压系统的安全边界研究方法给可以给出系统安全运行边界,同时可以在保证安全的前提下为下一步改善发动机涡轮增压系统的性能提供依据,进一步在设计阶段确保系统的安全性.      

差动活塞式热气自增压系统优化设计

为了进行应用于液体姿轨控动力系统的差动活塞式热气自增压系统优化设计,研究了一种基于遗传算法的优化设计方法。该系统由起动药盒、压力放大贮箱、流量调节器、燃气发生器和管道等组成。文中提出了在给定要求、约束和假设条件下进行系统总质量和起动时间的有约束多目标优化任务;建立了系统总质量、轴向尺寸、径向尺寸和系统性能参数的计算模型;采用归一加权法、惩罚函数法以及遗传算法求解了有约束多目标优化问题。根据帕累托前沿解,系统总质量的加权因子在[0.4,1.0]内变化时,可以得到优化结果。为了得到系统参数作为单目标的优化结果,本文进行了系统单目标优化,系统总质量、起动时间、质心漂移、轴向尺寸和径向尺寸各自作为优化目标可分别降低23.17%,34.40%,84.10%,62.28%和4.14%,增压效率可提高0.42%。分析了设计变量对系统参数的影响,结果表明压力放大贮箱气体腔初始体积、液体腔直径和起动药盒固体推进剂质量是影响系统参数的主要设计变量。     

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。      

高空活塞发动机2级涡轮增压系统匹配分析

为满足无人机高性能动力要求,改进了某型涡轮增压活塞式发动机2级涡轮增压系统。根据发动机工作过程模拟计算原理,利用CFD软件建立了该型发动机1级涡轮增压模型,并验证了该模型的准确性;确定了2级涡轮增压参数及高、低压气机的压比分配,讨论了2级增压器和中冷器的布置方案,分析了2级涡轮增压的高空特性,为2级涡轮增压系统选配了合适的增压器。     

基于模型的废气涡轮增压与发动机匹配

根据发动机工作过程模拟计算原理,采用GT-POWER软件对一级增压活塞式航空发动机建立涡轮增压器与发动机的仿真模型,并通过发动机实验数据验证了模型的准确性。按照高空环境条件对发动机提出的功率恢复的特殊要求,研究不同海拔高度下发动机与增压器的匹配规律,给出废气阀对增压系统的调节规律。分析结果表明,该仿真模型具有可信性且涡轮增压器的选型满足安全设计及匹配要求。     

基于AMESim的隔舱式贮箱推进剂管理仿真研究

通过多学科动力学建模方法研究,利用AMESim建立了隔舱式贮箱推进剂输送系统机械、液流与控制动力学模型,并对不同工况下推进剂输送系统动态特性进行数值仿真,获得了隔舱式贮箱推进剂动态变化、各个隔舱 的推进剂消耗率及质心位移等结果.仿真结果显示隔舱总体布局与初始容积分配、隔舱连通结构、飞行轨迹等均对隔舱式贮箱推进剂动态变化产生影响,所建立的模型可应用于隔舱式贮箱总体及结构设计.      

卫星推进系统发动机启动过程数值仿真

以一维管道瞬变流理论和特征线方法为基础,建立了仿真系统部件流体动力学模型。计算方法采用带内插的特征线方法和四阶龙格库塔法。对燃烧室模型,考虑燃烧时滞的影响,计算了卫星推进系统发动机在启动过程中各参数的变化。仿真结果与卫星推进系统热试车试验结果基本吻合。结果表明计算模型较好地描述了发动机启动过程中的水击和管流振荡现象,采用的仿真方法符合精度要求,在工程上可为卫星推进系统的设计与试验提供指导。