微重力条件下初始液氢温度对低温推进剂贮箱气枕压力的影响
发布时间：2021-04-01 07:05
自生增压液氢推进剂贮箱在轨滑行阶段将长期（数百秒）处于微重力环境下,其贮箱压力受多种因素影响.液氢低温推进剂接近饱和温度时,因传热等影响而极易产生相变,从而影响贮箱压力.通过建立贮箱三维CFD模型,研究了不同初始液氢推进剂温度对于贮箱压力和温度变化等的影响.计算结果表明,气液界面附近推进剂温度与当前气体压力下饱和温度之差（过冷度）越大,压力下降速率越大.随着气体压力下降,气枕温度降低,压力下降速率也逐渐减小,压力变化曲线趋于平缓.在初始液体推进剂温度低于平衡温度的情况下,初始液体推进剂温度越高,平衡压力越高.
【文章来源】：空间科学学报. 2020,40(03)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１推进剂ＰＣ箱的网格模型??Ｆｉｇ．?１?ＣＦＤ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ?ｔａｎｋ??
王妍升等：微重力条件下初始液氢温度对低温推进剂贮＿箱气枕压力的影响??３９７??算．火箭ｆｔ箱微重力滑行时间为４００ｓ，压力下降过??程如图４所示．Ｏｓ时，贮箱整体压力下降迅速，下降??速率高达约ｄＯＯＯＰａｆ１．根据饱和压力－温度曲线，??贮箱压力应向平衡压力发展．液体推进剂温度与饱和??温度相差越大，压力下降越快？初始液体推进剂温度??为２〇Ｋ的算例压力下降速率最大，约为ＩＷＯＰａ．ｓ－１，??这里因为２０?Ｋ与平衡温度２５．７Ｋ相差最大．至４００?ｓ??时：初始液体推进剂温度为２２?Ｋ的算例中贮箱压??力趋近平衡压力〇．１７５ＭＰａ；而初始液体推进剂温??度分别为２〇Ｋ和２１Ｋ工况的贮箱压力并未到达??￥衡？力，仍以一定速率下降，分别为２０６Ｐａ－ｓ－１??和ｌＳＯＰａ．ｓ－１，并且初始液体推进剂温度为２０Ｋ的??贮箱压力更低，下降速率更快．??随着压力下降，贮箱内整体温度降低，压力下降??速率变小，压力变化趋于平缓．由于热边界条件为绝??热，无热源流入，整个贮箱内温度逐渐降低．至４００?ｓ??时，气相和液相均趋于，当时压力下的平衡温度，同时??｜￡箱内压力趋近平衡压力■在初始液体推进剂温度??低宁平衡温度的情况下，初始液体推进剂温度越高，??肀衡压力越高？??不同初始液氢推进剂温度下贮箱气体质量随时??间的变化如图５所示，可以看出，对乎不同计算工??况，贮箱内总气体虜量的变化趋势不同．对宁由总体??蒸发转为总体冷凝的转折点：初始液氢温度为２０?Ｋ??时，蒸发４凝转换发生在约ｌｌ〇ｓ时；初始液氢温度??为２１Ｋ时，蒸发４令凝转换发生在约２１０?ｓ；初始液氢??图４不同初始液氢推进剂温度下贮箱气枕?
Ｊ．?Ｓｐａｃｅ?Ｓｃｉ．空间科学学报?２０２０，?４０（３）??３９８??图５不同初始液体推进剂温度下贮箱气体??质量随时间的变化??Ｆｉｇ．?５?Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｍａｓｓ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｗｉｔｈ?ｔｉｍｅ?ｆｏｒ??ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｉｎｉｔｉａｌ?ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??推进剂温度为２２?Ｋ的工况则表现为持续蒸发．在??计算开始时（〇ｓ），由于气相与液相温差很大，在气液??界面附近形成热边界层，气体受液氢冷却而冷凝，液??氢受气体传热而蒸发，两者叠加表现为总体气体质：量??升高．同时，２２?Ｋ气体质量上升最快，而压力下降??最慢．在４００?ｓ时，初始液体推进剂温度为２２?Ｋ的??工况显示出压力下降速率减缓趋近于〇．此时压力??约为０．１７ＭＰａ，气液界面附近温度约为２２．２Ｋ．根据??饱和压力曲线，＆压力为〇．１７ＭＰａ时，饱和温度约??为２２．３Ｋ．因此，４００ｓ时气液界面附近温度十分接近??饱和温度，压力下降速率减缓趋近予〇．??从图６可以看出，４００ｓ时三个工况在气液界面??附近具有不同的温度分布特征．其中：２２?Ｋ工况气液??两相温差最小，过冷度最小；２０?Ｋ工况气液两相温差??最大，过冷度最大．过冷度越大，压力下降速率越大；??当过冷度趋近于零时，压力下降速率也趋近宁零．??图７和图８显示的是沿重力方向截面面积最大??处的温度分布，图中贮箱中间位置的黑色粗线代表液??面．由图７液体温度分层可见，从〇ｓ至４００ｓ，液体??推进剂从均匀温度场逐渐产生温度分层，整体温度有??少量升高．微重力条件下，表面张力使得液体表面弯??曲，沿径向形成温
【参考文献】：
期刊论文
[1]运载火箭推进剂复杂流动传热问题数值模拟中的模型简化方法[J]. 周炳红,王妍卉,尕永婧,罗庶. 宇航总体技术. 2019(02)
[2]低温推进剂深度过冷加注技术研究及对运载火箭性能影响分析[J]. 邵业涛,罗庶,王浩苏,刘海飞. 宇航总体技术. 2019(02)
[3]地面及微重力条件下低温贮箱内相变和传热的数值仿真[J]. 李佳超,梁国柱. 空间科学学报. 2016(04)
[4]微重力下低温液氧贮箱热分层研究[J]. 刘展,孙培杰,李鹏,厉彦忠,晋永华. 低温工程. 2016(01)
[5]氦气作为增压气体排出贮罐内液氢过程的CFD分析[J]. 陈虹,高旭,任刚,张小斌,邱利民. 低温工程. 2015(04)
[6]在轨运行低温液氢箱体蒸发量计算与增压过程研究[J]. 刘展,厉彦忠,王磊,晋永华. 西安交通大学学报. 2015(02)
[7]低温上面级滑行段的推进剂管理[J]. 褚桂敏. 导弹与航天运载技术. 2007(01)
本文编号：3112901
【文章来源】：空间科学学报. 2020,40(03)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１推进剂ＰＣ箱的网格模型??Ｆｉｇ．?１?ＣＦＤ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ?ｔａｎｋ??
王妍升等：微重力条件下初始液氢温度对低温推进剂贮＿箱气枕压力的影响??３９７??算．火箭ｆｔ箱微重力滑行时间为４００ｓ，压力下降过??程如图４所示．Ｏｓ时，贮箱整体压力下降迅速，下降??速率高达约ｄＯＯＯＰａｆ１．根据饱和压力－温度曲线，??贮箱压力应向平衡压力发展．液体推进剂温度与饱和??温度相差越大，压力下降越快？初始液体推进剂温度??为２〇Ｋ的算例压力下降速率最大，约为ＩＷＯＰａ．ｓ－１，??这里因为２０?Ｋ与平衡温度２５．７Ｋ相差最大．至４００?ｓ??时：初始液体推进剂温度为２２?Ｋ的算例中贮箱压??力趋近平衡压力〇．１７５ＭＰａ；而初始液体推进剂温??度分别为２〇Ｋ和２１Ｋ工况的贮箱压力并未到达??￥衡？力，仍以一定速率下降，分别为２０６Ｐａ－ｓ－１??和ｌＳＯＰａ．ｓ－１，并且初始液体推进剂温度为２０Ｋ的??贮箱压力更低，下降速率更快．??随着压力下降，贮箱内整体温度降低，压力下降??速率变小，压力变化趋于平缓．由于热边界条件为绝??热，无热源流入，整个贮箱内温度逐渐降低．至４００?ｓ??时，气相和液相均趋于，当时压力下的平衡温度，同时??｜￡箱内压力趋近平衡压力■在初始液体推进剂温度??低宁平衡温度的情况下，初始液体推进剂温度越高，??肀衡压力越高？??不同初始液氢推进剂温度下贮箱气体质量随时??间的变化如图５所示，可以看出，对乎不同计算工??况，贮箱内总气体虜量的变化趋势不同．对宁由总体??蒸发转为总体冷凝的转折点：初始液氢温度为２０?Ｋ??时，蒸发４凝转换发生在约ｌｌ〇ｓ时；初始液氢温度??为２１Ｋ时，蒸发４令凝转换发生在约２１０?ｓ；初始液氢??图４不同初始液氢推进剂温度下贮箱气枕?
Ｊ．?Ｓｐａｃｅ?Ｓｃｉ．空间科学学报?２０２０，?４０（３）??３９８??图５不同初始液体推进剂温度下贮箱气体??质量随时间的变化??Ｆｉｇ．?５?Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｍａｓｓ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｗｉｔｈ?ｔｉｍｅ?ｆｏｒ??ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｉｎｉｔｉａｌ?ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??推进剂温度为２２?Ｋ的工况则表现为持续蒸发．在??计算开始时（〇ｓ），由于气相与液相温差很大，在气液??界面附近形成热边界层，气体受液氢冷却而冷凝，液??氢受气体传热而蒸发，两者叠加表现为总体气体质：量??升高．同时，２２?Ｋ气体质量上升最快，而压力下降??最慢．在４００?ｓ时，初始液体推进剂温度为２２?Ｋ的??工况显示出压力下降速率减缓趋近于〇．此时压力??约为０．１７ＭＰａ，气液界面附近温度约为２２．２Ｋ．根据??饱和压力曲线，＆压力为〇．１７ＭＰａ时，饱和温度约??为２２．３Ｋ．因此，４００ｓ时气液界面附近温度十分接近??饱和温度，压力下降速率减缓趋近予〇．??从图６可以看出，４００ｓ时三个工况在气液界面??附近具有不同的温度分布特征．其中：２２?Ｋ工况气液??两相温差最小，过冷度最小；２０?Ｋ工况气液两相温差??最大，过冷度最大．过冷度越大，压力下降速率越大；??当过冷度趋近于零时，压力下降速率也趋近宁零．??图７和图８显示的是沿重力方向截面面积最大??处的温度分布，图中贮箱中间位置的黑色粗线代表液??面．由图７液体温度分层可见，从〇ｓ至４００ｓ，液体??推进剂从均匀温度场逐渐产生温度分层，整体温度有??少量升高．微重力条件下，表面张力使得液体表面弯??曲，沿径向形成温
【参考文献】：
期刊论文
[1]运载火箭推进剂复杂流动传热问题数值模拟中的模型简化方法[J]. 周炳红,王妍卉,尕永婧,罗庶. 宇航总体技术. 2019(02)
[2]低温推进剂深度过冷加注技术研究及对运载火箭性能影响分析[J]. 邵业涛,罗庶,王浩苏,刘海飞. 宇航总体技术. 2019(02)
[3]地面及微重力条件下低温贮箱内相变和传热的数值仿真[J]. 李佳超,梁国柱. 空间科学学报. 2016(04)
[4]微重力下低温液氧贮箱热分层研究[J]. 刘展,孙培杰,李鹏,厉彦忠,晋永华. 低温工程. 2016(01)
[5]氦气作为增压气体排出贮罐内液氢过程的CFD分析[J]. 陈虹,高旭,任刚,张小斌,邱利民. 低温工程. 2015(04)
[6]在轨运行低温液氢箱体蒸发量计算与增压过程研究[J]. 刘展,厉彦忠,王磊,晋永华. 西安交通大学学报. 2015(02)
[7]低温上面级滑行段的推进剂管理[J]. 褚桂敏. 导弹与航天运载技术. 2007(01)
本文编号：3112901
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