[發明專利]一種低溫液體火箭吹除支管供氣流量的設計方法

在審

• 申請號: 202111407875.X
• 申請日: 2021-11-25
• 公開（公告）號: CN114036772A
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 劉重洋;孫康;劉訪;鄭洪偉;宋心成;劉力宇;田鵬宇;黃陳哲;蘭薇薇;周前坤;崔敏亮
• 申請（專利權）人: 航天科工火箭技術有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/08;G06F119/08
• 代理公司: 武漢智匯為專利代理事務所(普通合伙) 42235
• 代理人: 李恭渝

1.一種低溫液體火箭吹除支管供氣流量的設計方法，其特征在于，包括以下計算步驟：

S1、根據總體輸入，確定推進劑溫度T_liq、艙段的幾何參數以及組成艙段材料的物性參數，并確定艙段內空氣所設計的目標平均溫度T_air；

S2、根據總體輸入，確定發射日的環境溫度T_env和地面平均風速v；

S3、根據步驟S2中的輸入參數，計算艙壁外部的對流換熱系數h_out；

S4、艙壁內部的對流換熱系數h_in取值范圍為1-10W/m²，按使艙內散失熱量更大或流入熱量更小為標準進行取值；

S5、基于步驟S1的輸入條件，建立艙段熱網格模型；

S6、對每個熱網格建立基于供氣流量m_in的熱平衡方程，根據步驟S1-S4的輸入條件進行聯立求解，從而獲得供氣流量m_in。

2.根據權利要求1所述的一種低溫液體火箭吹除支管供氣流量的設計方法，其特征在于，所述步驟S3中，艙壁外部的對流換熱系數h_out的計算方法如下：

首先根據發射場地面平均風速v，以及發射日期的環境溫度T_env作為參考溫度T_m，采用下式計算參考溫度下的雷諾數Re_m：

Re_m＝ρ_mvd/μ_m

式中：

ρ_m——空氣參考密度，根據T_m查表獲得；

d——艙段直徑；

μ_m——空氣參考動力粘度系數，根據T_m查表獲得。

根據雷諾數，采用下式計算努賽爾數Nu_m：

式中：

Pr_m——普朗特數，根據T_m查表獲得。

最終通過下式獲得艙壁外對流換熱系數h_out：

式中：

d——艙段直徑；

λ_m——空氣導熱系數，根據T_m查表獲得。

3.根據權利要求1所述的一種低溫液體火箭吹除支管供氣流量的設計方法，其特征在于，所述步驟S4中，對流換熱系數按使艙內散失熱量更大或流入熱量更小為標準進行取值，該方法具體為：如環境溫度低于艙內目標溫度，則艙壁內部對流換熱系數取10W/m²，保證向外散失熱量為最大；如環境溫度高于艙壁內目標溫度，則內部對流換熱系數取1W/m²，保證向內傳遞熱量為最小。

4.根據權利要求1所述的一種低溫液體火箭吹除支管供氣流量的設計方法，其特征在于，所述步驟S5中，建立艙段熱網格模型的方法具體為：

針對圓柱形箱間段即艙段，所述箱間段包括貯箱前后底、艙壁、防熱層和箱間段內的空氣，實際箱間段模型中貯箱前后底與艙壁相連并采用同一種材料，在貯箱前后底上鋪設的防熱層用于絕熱，將實際模型進行二維拓撲劃分得到熱網格模型，網格尺寸與物性參數均與實際模型對應。

5.根據權利要求4所述的一種低溫液體火箭吹除支管供氣流量的設計方法，其特征在于，所述艙段熱網格模型的網格尺寸與物性參數均與實際模型對應，具體對應方法為：

首先明確每個網格的命名規則：X為艙段的徑向方向，Y為艙段的軸向方向，規定熱網格的四條邊分別為N、E、W、S，其中，Δy為網格在y方向上的長度，其對應的面積為A_y，Δx為網格在x方向上的長度，其對應面積為A_x，所述對應面積，是指將三維幾何體映射至二維圖形后，二維圖形的邊所代表的實際三維面積；

每個熱網格的物理參數包括該網格的平均溫度T和導熱系數λ，艙段導熱系數λ_C，防熱層導熱系數λ_FRC。

6.根據權利要求1所述的一種低溫液體火箭吹除支管供氣流量的設計方法，其特征在于，所述步驟S6中，當吹除系統達到穩態時，氣體及固體導熱溫度場不變，內部僅存在導熱過程，流入熱網格的熱量和流出熱量相同，每個網格的區別僅在于網格各邊的邊界條件不同，在此基礎上先建立每個網格每條邊的熱平衡方程，再建立每個網格的熱平衡方程，求解得到每個網格的平均溫度，艙段內空氣所對應的網格的平均溫度T_air是步驟S1里確定的輸入參數，最后建立整個網格模型的熱平衡方程即可解出供氣流量m_in。