一種運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真方法
【專(zhuān)利摘要】一種運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真方法，對(duì)貯箱固壁沿軸向、徑向分別劃分三層熱容單元，并建立導(dǎo)熱、對(duì)流換熱數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建考慮了低溫環(huán)境下貯箱材料熱導(dǎo)率隨溫度的變化、增壓氣體與貯箱固壁之間的對(duì)流換熱、固壁熱容和導(dǎo)熱對(duì)氣枕壓力溫度影響的系統(tǒng)仿真模型，提高了模擬低溫貯箱增壓換熱過(guò)程中的氣枕壓力、溫度變化的仿真精度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真方法，適用于低溫動(dòng)力運(yùn)載火箭貯箱在地面試驗(yàn)、飛行工作過(guò)程中的換熱性能分析。
【背景技術(shù)】
[0002]低溫動(dòng)力運(yùn)載火箭貯箱在動(dòng)力系統(tǒng)工作期間，推進(jìn)劑出流的同時(shí)，增壓氣體進(jìn)入貯箱，增壓氣體與貯箱壁面和推進(jìn)劑之間均存在熱交換。影響貯箱內(nèi)氣枕壓力的關(guān)鍵因素包括:增壓氣體流量、增壓氣體溫度、氣枕容積變化率、貯箱內(nèi)氣枕的換熱。
[0003]現(xiàn)有增壓輸送系統(tǒng)仿真模型能夠較準(zhǔn)確考慮增壓氣體流量、溫度、氣枕容積變化率對(duì)貯箱壓力的影響，但在計(jì)算氣枕?yè)Q熱量時(shí)，一般使用根據(jù)遙測(cè)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正換熱系數(shù)的方法，該計(jì)算方法僅適用于特定工況，普適性差。要準(zhǔn)確計(jì)算貯箱氣枕壓力，評(píng)估系統(tǒng)的增壓能力，需要對(duì)貯箱內(nèi)的熱交換過(guò)程正確建模，減小由于貯箱內(nèi)換熱計(jì)算誤差造成的氣枕壓力計(jì)算偏差。
[0004]同時(shí)，貯箱箱體多為鋁合金材料，由于低溫推進(jìn)劑溫度低，該溫區(qū)內(nèi)鋁合金材料的熱導(dǎo)率隨溫度變化顯著，且與常溫?zé)釋?dǎo)率差別較大，如果不應(yīng)用低溫環(huán)境下隨溫度變化的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，在分析箱體內(nèi)的導(dǎo)熱過(guò)程及箱體與增壓氣體、推進(jìn)劑的換熱時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的
計(jì)算誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真方法，用于箭上低溫貯箱增壓換熱過(guò)程仿真。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0007]—種運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真方法，步驟如下:
[0008](I)根據(jù)運(yùn)載火箭的工作時(shí)序，確定所述低溫貯箱的出流、增壓時(shí)序和推進(jìn)劑液位高度數(shù)據(jù)；
[0009](2)根據(jù)集總參數(shù)方法建立所述低溫貯箱固壁導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型、增壓氣體與固壁之間的對(duì)流換熱數(shù)學(xué)模型以及貯箱氣枕壓力、溫度計(jì)算數(shù)學(xué)模型；
[0010](3)根據(jù)步驟(2)中得到的數(shù)學(xué)模型，在系統(tǒng)仿真軟件中建立運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真模型；
[0011](4)根據(jù)低溫貯箱的工作溫度區(qū)間內(nèi)低溫貯箱材料的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，擬合該工作溫度區(qū)間內(nèi)低溫貯箱材料熱導(dǎo)率隨溫度變化的曲線；
[0012](5)根據(jù)步驟(4)中得到的曲線，基于所述系統(tǒng)仿真軟件的子模型建模工具建立所述低溫貯箱材料導(dǎo)熱計(jì)算模型，并將該低溫貯箱材料導(dǎo)熱計(jì)算模型應(yīng)用至所述低溫貯箱仿真模型之中；
[0013](6)根據(jù)運(yùn)載火箭低溫貯箱的真實(shí)工況，在步驟(5)中更新后的低溫貯箱仿真模型中設(shè)置低溫貯箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，同時(shí)結(jié)合在所述低溫貯箱真實(shí)工況中低溫貯箱的材料參數(shù)和介質(zhì)物性參數(shù)，在系統(tǒng)仿真軟件中進(jìn)行所述低溫貯箱的換熱過(guò)程仿真。
[0014]所述步驟(2)中建立所述貯箱氣枕壓力、溫度計(jì)算數(shù)學(xué)模型具體為:
【權(quán)利要求】
1.一種運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真方法，其特征在于步驟如下: (1)根據(jù)運(yùn)載火箭的工作時(shí)序，確定所述低溫貯箱的出流、增壓時(shí)序和推進(jìn)劑液位高度數(shù)據(jù)； (2)根據(jù)集總參數(shù)方法建立所述低溫貯箱固壁導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型、增壓氣體與固壁之間的對(duì)流換熱數(shù)學(xué)模型以及貯箱氣枕壓力、溫度計(jì)算數(shù)學(xué)模型； (3)根據(jù)步驟(2)中得到的數(shù)學(xué)模型，在系統(tǒng)仿真軟件中建立運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真模型； (4)根據(jù)低溫貯箱的工作溫度區(qū)間內(nèi)低溫貯箱材料的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，擬合該工作溫度區(qū)間內(nèi)低溫貯箱材料熱導(dǎo)率隨溫度變化的曲線； (5)根據(jù)步驟(4)中得到的曲線，基于所述系統(tǒng)仿真軟件的子模型建模工具建立所述低溫貯箱材料導(dǎo)熱計(jì)算模型，并將該低溫貯箱材料導(dǎo)熱計(jì)算模型應(yīng)用至所述低溫貯箱仿真模型之中； (6)根據(jù)運(yùn)載火箭低溫貯箱的真實(shí)工況，在步驟(5)中更新后的低溫貯箱仿真模型中設(shè)置低溫貯箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，同時(shí)結(jié)合在所述低溫貯箱真實(shí)工況中低溫貯箱的材料參數(shù)和介質(zhì)物性參數(shù)，在系統(tǒng)仿真軟件中進(jìn)行所述低溫貯箱的換熱過(guò)程仿真。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真方法，其特征在于:所述步驟(2)中建立所述貯箱氣枕壓力、溫度計(jì)算數(shù)學(xué)模型具體為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真方法，其特征在于:所述步驟(2)中建立所述增壓氣體與固壁之間的對(duì)流換熱數(shù)學(xué)模型具體為: 將低溫貯箱的殼體沿箭體軸向方向劃分為三層，自上而下依次為:頂端固壁、中段固壁和后段固壁，其中，頂端固壁區(qū)域?yàn)榕c初始?xì)庹斫佑|的貯箱壁面區(qū)域，中段固壁為隨著貯箱出流逐漸暴露于氣枕中的貯箱壁面區(qū)域，后段固壁為始終與低溫推進(jìn)劑接觸的貯箱壁面區(qū)域； 頂端固壁與增壓氣體之間的對(duì)流換熱數(shù)學(xué)模型為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真方法，其特征在于:所述步驟(2)中建立所述低溫貯箱固壁導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型具體為: 將低溫貯箱的殼體沿箭體軸向方向劃分為頂端固壁、中段固壁和后段固壁三層單元；同時(shí)沿箭體徑向方向劃分為三層單元，自?xún)?nèi)向外依次為:內(nèi)壁面單元、中間單元和外壁面單元; 單元質(zhì)量按下式計(jì)算:
Hii= P.Ai.δ i=l, 2, 3式中，S為貯箱厚度；相鄰單元間徑向?qū)釤崃髅芏劝磮A筒壁傅立葉導(dǎo)熱公式計(jì)算:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真方法，其特征在于:所述系統(tǒng)仿真軟件為AMESim、EASY5或Flowmaster。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種運(yùn)載火箭低溫貯箱換熱過(guò)程仿真方法，其特征在于:所述低溫貯箱的工作溫 度區(qū)間為20K~150K。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103473396SQ201310371589
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】葉超, 陳二鋒, 王海洲, 丁建春, 薛立鵬, 冉振華, 江海峰 申請(qǐng)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