运载火箭低温输送系统间歇泉特性及抑制方案探究
发布时间：2021-03-06 04:28
为研究重型运载火箭液氧管道中的间歇泉现象并设计有效的抑制方法,调研分析了不同领域中间歇泉的研究现状及低温领域间歇泉的特点。揭示了低温推进剂管道中间歇泉的动态特性和产生机理,提出了重型运载火箭间歇泉抑制方法。研究表明:1)低温领域发生间歇泉的管道结构参数、热流输入方式、液体性质与其他领域相比有较大不同;2)减压沸腾是间歇泉产生的主要原因,弹状气泡不是低温管道中产生间歇泉的必要条件;3)间歇泉过程中会出现剧烈的压力降低和突增现象,在恶劣工况下压力波动可达兆帕量级;4)根据重型火箭的管路布局方式,可选择氦气注入或者外界热流引起循环流动的方法来抑制间歇泉。
【文章来源】：宇航学报. 2020,41(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同领域间歇泉发生条件的差异
在日本的H-II火箭液氧输送管道实验中,出现了明显的间歇泉现象。其实验管道结构如图2所示,间歇泉过程中底部压力变化如图3所示[29]。由图3可知,H-II火箭液氧输送管道中,由于间歇泉的出现,管路底部压力由0.3 MPa先降低到了0.15 MPa,后升高到了0.85 MPa[29]。而其管道直径却高达200 mm,远高于可形成弹状气泡的临界直径。从实验数据中可以看出,在某些恶劣工况下,间歇泉的压力波动是十分剧烈的,可达到兆帕量级。从Chen等[7]的实验中也能看到,在间歇泉的喷涌过程中流型呈现出搅混流,而不是弹状流。因此可以说明,若管径较小,发生间歇泉时可能会存在弹状气泡;但是,弹状气泡的存在并不是产生间歇泉的必要条件。同时,本文建立了H-II火箭数值模型,用CFD手段对其中截止阀关闭工况的间歇泉过程进行了分析。可以看出,文献中的实验结果和本文数值模拟结果在趋势和数值都比较吻合。分析数值和文献实验结果,图4给出了低温推进剂管道中间歇泉现象的典型时刻流动特征。间歇泉可分为三个阶段,潜伏期、喷涌期和回流期。其中,潜伏期所占整个间歇泉周期的比例极大,通常可达90%以上[7]。喷涌现象是间歇泉最被人们熟知的特征,表现为气液混合物从管道高速喷出。喷涌期管道内的含气率较高,管底部压力在短时间内降低到了贮箱内的压力水平,代表着管道几乎被气体充满。上文分析得出,喷涌的直接原因不是弹状气泡的产生。但从喷涌的特征来看,必定是由于管内有大量气体出现造成的。
这种大量气体的瞬间出现的原因可以总结如下:在漏热作用下,管内液体温度逐渐升高并产生气泡。随着气泡不断增多,一部分管内液体被排出造成管内静压降低,压力的降低又加速气泡形成。在这一连锁反应中,液体从饱和状态变为过热状态,并剧烈沸腾释放其中的能量,产生大量气体,造成气液混合物的高速喷出,此处将该过程称为“减压沸腾”。可以看出间歇泉的形成主要是由于剧烈的减压沸腾产生大量气体形成喷涌,而不是弹状气泡的出现。回流阶段被认为是间歇泉对火箭推进剂输送系统危害性最大的一个阶段。回流期贮箱内的过冷液体回流重新充满管道,在这个过程中液柱与管路底部管壁,或者底部残余液体碰撞,产生非常高的压力峰值。通过调研发现关于回流阶段的冲击作用,普遍认为是一种水击现象[17]。而在喷涌结束后,液体的回流可能受两种因素影响,重力作用和气体的冷凝作用。何种因素占主导用于可作进一步的研究。2.2 推进剂管路间歇泉抑制方法分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温推进剂管路预冷沸腾换热特性研究综述[J]. 王娇娇,厉彦忠,王鑫宝,王磊,杨永忠. 宇航学报. 2017(08)
[2]关于重型运载火箭若干问题的思考[J]. 龙乐豪,郑立伟. 宇航总体技术. 2017(01)
[3]间歇泉现象研究对低温推进剂加注系统的启示[J]. 崔村燕,李幸,樊东磊,赵蓓蕾,柳宁远,王亚冲. 低温与超导. 2017(03)
[4]低温推进剂在轨加注技术与方案研究综述[J]. 马原,厉彦忠,王磊,朱康,徐孟健. 宇航学报. 2016(03)
[5]低温推进剂火箭发动机循环预冷系统喷泉非稳现象的数值研究[J]. 郭宁,匡波,张中伟,黄辉,田玉蓉. 低温工程. 2013(02)
[6]液氢加注系统竖直管道内Taylor气泡的行为特性[J]. 马昕晖,徐腊萍,陈景鹏,宋建军. 低温工程. 2011(06)
[7]重型运载火箭及其应用探讨[J]. 何巍,刘伟,龙乐豪. 导弹与航天运载技术. 2011(01)
[8]低温推进剂火箭喷泉效应及其抑制[J]. 廖少英. 上海航天. 2002(03)
博士论文
[1]低温气液两相弹状流流动特性和流场结构的实验及数值研究[D]. 刘亦鹏.上海交通大学 2013
[2]垂直管道低温汽-液两相流动弹状流流型及动态特性的研究[D]. 张华.上海交通大学 2009
本文编号：3066436
【文章来源】：宇航学报. 2020,41(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同领域间歇泉发生条件的差异
在日本的H-II火箭液氧输送管道实验中,出现了明显的间歇泉现象。其实验管道结构如图2所示,间歇泉过程中底部压力变化如图3所示[29]。由图3可知,H-II火箭液氧输送管道中,由于间歇泉的出现,管路底部压力由0.3 MPa先降低到了0.15 MPa,后升高到了0.85 MPa[29]。而其管道直径却高达200 mm,远高于可形成弹状气泡的临界直径。从实验数据中可以看出,在某些恶劣工况下,间歇泉的压力波动是十分剧烈的,可达到兆帕量级。从Chen等[7]的实验中也能看到,在间歇泉的喷涌过程中流型呈现出搅混流,而不是弹状流。因此可以说明,若管径较小,发生间歇泉时可能会存在弹状气泡;但是,弹状气泡的存在并不是产生间歇泉的必要条件。同时,本文建立了H-II火箭数值模型,用CFD手段对其中截止阀关闭工况的间歇泉过程进行了分析。可以看出,文献中的实验结果和本文数值模拟结果在趋势和数值都比较吻合。分析数值和文献实验结果,图4给出了低温推进剂管道中间歇泉现象的典型时刻流动特征。间歇泉可分为三个阶段,潜伏期、喷涌期和回流期。其中,潜伏期所占整个间歇泉周期的比例极大,通常可达90%以上[7]。喷涌现象是间歇泉最被人们熟知的特征,表现为气液混合物从管道高速喷出。喷涌期管道内的含气率较高,管底部压力在短时间内降低到了贮箱内的压力水平,代表着管道几乎被气体充满。上文分析得出,喷涌的直接原因不是弹状气泡的产生。但从喷涌的特征来看,必定是由于管内有大量气体出现造成的。
这种大量气体的瞬间出现的原因可以总结如下:在漏热作用下,管内液体温度逐渐升高并产生气泡。随着气泡不断增多,一部分管内液体被排出造成管内静压降低,压力的降低又加速气泡形成。在这一连锁反应中,液体从饱和状态变为过热状态,并剧烈沸腾释放其中的能量,产生大量气体,造成气液混合物的高速喷出,此处将该过程称为“减压沸腾”。可以看出间歇泉的形成主要是由于剧烈的减压沸腾产生大量气体形成喷涌,而不是弹状气泡的出现。回流阶段被认为是间歇泉对火箭推进剂输送系统危害性最大的一个阶段。回流期贮箱内的过冷液体回流重新充满管道,在这个过程中液柱与管路底部管壁,或者底部残余液体碰撞,产生非常高的压力峰值。通过调研发现关于回流阶段的冲击作用,普遍认为是一种水击现象[17]。而在喷涌结束后,液体的回流可能受两种因素影响,重力作用和气体的冷凝作用。何种因素占主导用于可作进一步的研究。2.2 推进剂管路间歇泉抑制方法分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温推进剂管路预冷沸腾换热特性研究综述[J]. 王娇娇,厉彦忠,王鑫宝,王磊,杨永忠. 宇航学报. 2017(08)
[2]关于重型运载火箭若干问题的思考[J]. 龙乐豪,郑立伟. 宇航总体技术. 2017(01)
[3]间歇泉现象研究对低温推进剂加注系统的启示[J]. 崔村燕,李幸,樊东磊,赵蓓蕾,柳宁远,王亚冲. 低温与超导. 2017(03)
[4]低温推进剂在轨加注技术与方案研究综述[J]. 马原,厉彦忠,王磊,朱康,徐孟健. 宇航学报. 2016(03)
[5]低温推进剂火箭发动机循环预冷系统喷泉非稳现象的数值研究[J]. 郭宁,匡波,张中伟,黄辉,田玉蓉. 低温工程. 2013(02)
[6]液氢加注系统竖直管道内Taylor气泡的行为特性[J]. 马昕晖,徐腊萍,陈景鹏,宋建军. 低温工程. 2011(06)
[7]重型运载火箭及其应用探讨[J]. 何巍,刘伟,龙乐豪. 导弹与航天运载技术. 2011(01)
[8]低温推进剂火箭喷泉效应及其抑制[J]. 廖少英. 上海航天. 2002(03)
博士论文
[1]低温气液两相弹状流流动特性和流场结构的实验及数值研究[D]. 刘亦鹏.上海交通大学 2013
[2]垂直管道低温汽-液两相流动弹状流流型及动态特性的研究[D]. 张华.上海交通大学 2009
本文编号：3066436
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