[發(fā)明專利]衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣充裝熱力學特性數(shù)值模擬方法

在審

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• 申請日: 2014-10-31
• 公開（公告）號: CN104777183A
• 公開（公告）日: 2015-07-15
• 發(fā)明（設計）人: 喻新發(fā);趙月帥;孫立臣;洪曉鵬;竇仁超;李曉陽;孟冬輝;閆榮鑫;韓琰;竇威;王靜濤
• 申請（專利權）人: 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所
• 主分類號: G01N25/00
• 分類號: G01N25/00;G01M99/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及數(shù)值模擬試方法，特別是涉及衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣充裝及加注過程中的熱力學特性數(shù)值模擬方法。

背景技術

衛(wèi)星電推進系統(tǒng)工質為氙氣，由于氙氣分子量大、熔點高、沸點高及臨界點高等特殊的物理性質，電推進系統(tǒng)工質氙氣充裝、發(fā)射場加注及在軌存儲使用等存在眾多未知因素，安全風險高，氙氣地面存儲、測試、加注及在軌存儲使用技術難度也較大，無相應的基礎試驗數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣在地面測試及加注過程參數(shù)覆蓋范圍廣，目前國內外無法進行全過程范圍的氙氣熱力學特性物理試驗，也無法獲得氙氣全過程范圍的充裝熱力學特性試驗數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星充裝及發(fā)射場加注對衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣瓶內部熱力學狀態(tài)參數(shù)預估要求范圍廣，壓力范圍：0～17MPa，溫度范圍：-20℃～100℃，密度范圍0kg/l～2.3kg/l，而且對充裝熱力學特性參數(shù)預估精度也要求較高，要求預估精度控制偏差優(yōu)于0.5％。目前無專門描述氙氣充裝特性的狀態(tài)方程，現(xiàn)有的熱力學狀態(tài)方程對氙氣流體計算預估產(chǎn)生很大的誤差，總體要求研究出符合氙氣本質的實際流體狀態(tài)方程.對氣相、液相和超臨界區(qū)，要求壓力及密度計算與測試偏差優(yōu)于0.5％，因此，研究電推進系統(tǒng)氙氣充裝及加注過程數(shù)值模擬方法有重要意義。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目是提供一種衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣充裝熱力學特性數(shù)值模擬方法，以便仿真計算出衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣充裝及加注過程氙氣瓶內部的熱力學狀態(tài)參數(shù)。

本發(fā)明的衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣充裝熱力學特性數(shù)值模擬方法包括：步驟S101，建立氙氣流體狀態(tài)方程，包括：用最小二乘法數(shù)值插值擬合建立氙氣熱力學特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程，比較分析三種不同類型的經(jīng)驗參數(shù)方程；

步驟S102，根據(jù)氙氣在特定狀態(tài)或區(qū)域范圍熱力學參數(shù)來選擇所述氙氣熱力學特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程三種不同類型的經(jīng)驗參數(shù)方程的一種或多種；步驟S103，通過設置模擬參數(shù)進行氙氣充裝特性數(shù)值模擬。

進一步，在步驟S101中，基于飽和蒸氣壓實驗數(shù)據(jù)、飽和液相密度實驗數(shù)據(jù)和氣液相PVT實驗數(shù)據(jù)，來擬合建立氙氣熱力學特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程。

進一步，在步驟S102中，在高溫低壓區(qū)，可以選擇RK方程、BWR方程及Helmholtz方程中的一種。

進一步，在步驟S102中，對于單相區(qū)、氣液兩相的超臨界區(qū)及氣相區(qū)，選擇Helmholtz方程；內對于高溫低壓區(qū)，選擇RK方程。

進一步，在步驟S103中，所述模擬參數(shù)包括：溫度、壓力、比容、質量，其中，對溫度、壓力及密度中任意兩個參數(shù)進行設置。

進一步，用可視化方式來展示模擬結果，包括：步驟1)：設置模擬參數(shù)的單位，模擬參數(shù)包括：溫度、壓力、比容、質量、密度，其中，模擬參數(shù)默認設置為SI國際單位制，溫度可選擇設置為SI使用攝氏度；步驟2)：設置溫度、壓力及密度中的任意兩個參數(shù)的數(shù)值范圍，壓力，溫度的范圍包括起點溫度、終點溫度、步長；步驟3：設置X坐標軸、繪圖精度、是否繪制飽和線，得到相應的計算值或可視化視圖，參數(shù)輸出包括用于特定壓力、溫度及密度條件下氙氣某一參量計算表和進行全量程氙氣充裝熱力學特性中文可視化數(shù)據(jù)圖描述。

本發(fā)明技術方案的特點包括:

1.本發(fā)明在選擇實驗數(shù)據(jù)上不僅包括國內的實驗數(shù)據(jù)，還包括國內外各研究機構公布的權威實驗數(shù)據(jù)，保證測試數(shù)據(jù)的準確性及建立方程模型的準確性。

2.本發(fā)明建立的方程模型是氙氣熱力學性質的高精度理論方程表征，通過最小二乘法數(shù)值插值擬合計算方程模型參數(shù)，并將方程模型數(shù)值模擬軟件化，根據(jù)氙氣三種計算模型應用JAVA開發(fā)平臺編制的氙氣熱物性數(shù)值模擬軟件計算特定狀態(tài)或區(qū)域范圍熱力學參數(shù)，建立了全溫度及壓力范圍的數(shù)值計算分析軟件。

本發(fā)明是衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣充裝試驗實現(xiàn)的重要方法，具備衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣充裝全溫度與全壓力范圍數(shù)值模擬與試驗，具有適應性強、精度高及使用方便等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的模擬方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明的模擬方法采用的氙氣實驗數(shù)據(jù)；

圖3可視化視圖設置；

圖4計算得到的氙氣壓力-密度曲線的一個示例。

具體實施方式

以下介紹的是作為本發(fā)明所述內容的具體實施方式，下面通過具體實施方式對本發(fā)明的所述內容作進一步的闡明。當然，描述下列具體實施方式只為示例本發(fā)明的不同方面的內容，而不應理解為限制本發(fā)明范圍。