[發(fā)明專利]一種低溫推進(jìn)劑貯箱內(nèi)噴霧摻混的仿真方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711157136.3
• 申請(qǐng)日: 2017-11-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107871046B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王夕;羅庶;陳士強(qiáng);容易;王玨;王楠;黃輝;尕永婧;朱平平;魏一;邵業(yè)濤;湯波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京宇航系統(tǒng)工程研究所;中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F119/14;G06F119/08
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張麗娜

本發(fā)明涉及一種低溫推進(jìn)劑貯箱內(nèi)噴霧摻混的仿真計(jì)算方法，屬于航天運(yùn)輸總體設(shè)計(jì)領(lǐng)域，背景為低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)時(shí)間在軌蒸發(fā)量控制，主要涉及到采用噴霧摻混方式下低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)時(shí)間在軌貯箱壓力控制的仿真方法。本發(fā)明對(duì)于噴霧和兩相流的計(jì)算采用離散相結(jié)合VOF方法，建立了對(duì)低溫推進(jìn)劑貯箱內(nèi)噴霧摻混的計(jì)算流體力學(xué)仿真模型，該方法得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，相較于簡(jiǎn)單的集總參數(shù)模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)貯箱內(nèi)流體形態(tài)、溫度變化、換熱趨勢(shì)的預(yù)測(cè)；通過(guò)本發(fā)明的方法，可以對(duì)不同流量、流速、噴注溫度下的摻混進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，優(yōu)化噴霧摻混方案對(duì)長(zhǎng)時(shí)間在軌低溫推進(jìn)劑貯箱壓力的能力，為工程實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間在軌蒸發(fā)量控制技術(shù)作出貢獻(xiàn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種低溫推進(jìn)劑貯箱內(nèi)噴霧摻混的仿真方法，屬于航天運(yùn)輸器總體設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

低溫推進(jìn)劑是指在大氣壓力下沸點(diǎn)低于112K的液體推進(jìn)劑，如液氫、液氧、甲烷等。低溫推進(jìn)劑有著高比沖性能、無(wú)毒無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)，但低溫推進(jìn)劑沸點(diǎn)低，受熱極易汽化，難于貯存，隨著深空探測(cè)任務(wù)的開(kāi)展，對(duì)低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)時(shí)間在軌提出了迫切需求。我國(guó)未來(lái)重型火箭三子級(jí)采用液氫液氧推進(jìn)劑，對(duì)低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)時(shí)間在軌時(shí)間要求為5天，其中液氧蒸發(fā)量要求每天小于 0.17％，液氫蒸發(fā)量要求每天小于2.94％，否則會(huì)降低運(yùn)載能力，使得深空探測(cè)任務(wù)無(wú)法完成。低溫推進(jìn)劑在軌貯存的過(guò)程中，貯箱壓力受外界熱流作用不斷升高，為維持貯箱結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，需要排氣以維持壓力，排氣將造成大量的推進(jìn)劑損失。貯箱內(nèi)流體行為特性尤其是貯箱壓力的控制是低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)時(shí)間在軌的關(guān)鍵。目前我國(guó)在該領(lǐng)域的研究剛剛起步，無(wú)相關(guān)在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)，仿真方法較為欠缺，亟需能夠?qū)崿F(xiàn)各蒸發(fā)量控制方案的仿真方法，以具備對(duì)在軌蒸發(fā)量控制方案的設(shè)計(jì)能力。

低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)時(shí)間在軌蒸發(fā)量控制方案包括被動(dòng)控制技術(shù)和主動(dòng)控制技術(shù)。對(duì)于較長(zhǎng)時(shí)間的在軌任務(wù)，可采用主動(dòng)控制方案，噴霧摻混是主動(dòng)控制方案的一種。如附圖1所示，噴霧摻混方案使用泵將貯箱內(nèi)的流體引出，并通過(guò)噴霧棒上的噴孔，將流體重新徑向噴入貯箱。噴孔可以被布置在氣枕溫度較高的位置，從而利用噴出較低溫度的液滴對(duì)氣枕進(jìn)行降溫，氣枕溫度的降低將使貯箱壓力明顯降低，從而實(shí)現(xiàn)貯箱壓力的控制。徑向噴霧摻混包含液滴與氣體的換熱和相變過(guò)程。

低溫推進(jìn)劑流體行為特性的仿真包括對(duì)地面條件下和微重力環(huán)境下，以及被動(dòng)控制方案下和主動(dòng)控制方案下的仿真。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地面條件下的低溫推進(jìn)劑在被動(dòng)控制方案下的蒸發(fā)量預(yù)示有一定的研究，但對(duì)于主動(dòng)控制方案的仿真尤其是噴霧摻混的仿真，仍缺乏能夠有效預(yù)測(cè)貯箱壓力、氣枕溫度、流體形態(tài)以及噴霧形態(tài)的仿真方法。如果只通過(guò)簡(jiǎn)單的集總參數(shù)法進(jìn)行仿真計(jì)算，無(wú)法得到流體形態(tài)、溫度分布等結(jié)果，同時(shí)貯箱壓力的預(yù)示的準(zhǔn)確性也無(wú)法得到保障，必須通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的方法解決液滴運(yùn)動(dòng)、傳熱傳質(zhì)及兩相流耦合的問(wèn)題，有效預(yù)示貯箱壓力等流體行為特性，通過(guò)不同流量、流速、溫度等參數(shù)的調(diào)整，優(yōu)化噴霧摻混對(duì)貯箱壓力的控制能力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決的問(wèn)題是：為彌補(bǔ)現(xiàn)有蒸發(fā)量控制仿真技術(shù)對(duì)噴霧摻混條件下仿真能力的不足，建立了一種適用于噴霧摻混下的低溫推進(jìn)劑貯箱內(nèi)流體行為特性的仿真方法，滿足在軌蒸發(fā)量控制方案的仿真設(shè)計(jì)能力。

一種低溫推進(jìn)劑貯箱內(nèi)噴霧摻混的仿真方法，該方法的步驟包括：

(1)對(duì)貯箱內(nèi)的流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

(2)建立貯箱內(nèi)連續(xù)相的蒸發(fā)/冷凝模型；

(3)建立向貯箱內(nèi)噴霧時(shí)所產(chǎn)生的離散相液滴與貯箱內(nèi)連續(xù)相之間的傳熱傳質(zhì)模型；

(4)建立向貯箱內(nèi)噴霧時(shí)所產(chǎn)生的離散相液滴向連續(xù)相液相的轉(zhuǎn)化模型；

(5)根據(jù)步驟(2)、(3)和(4)得到的模型采用VOF(容積比率法)與離散相模型相耦合的方法得到低溫推進(jìn)劑貯箱內(nèi)噴霧摻混的流體力學(xué)仿真模型；

(6)根據(jù)步驟(5)得到的流體力學(xué)仿真模型設(shè)置初始條件與邊界條件進(jìn)行仿真計(jì)算，得到特定工況下的貯箱內(nèi)的流場(chǎng)的形態(tài)以及貯箱內(nèi)的流場(chǎng)的壓力溫度變化等流體行為特性；