运载火箭共底贮箱加注过程非稳态温度分布数值模拟
发布时间：2021-04-16 19:51
以液氧和煤油为推进剂的新一代运载火箭,承力式共底贮箱结构一方面可以缩短整个运载器长度,改善运载器长径比,二能取消液氧贮箱与煤油贮箱间的箱间段,减轻结构质量。但要求共底夹层需要良好的隔热性能,同时承受煤油箱和液氧箱双向压力载荷。获得加注过程共底夹层的温度非稳态分布是分析夹层隔热和应力性能的基础。基于CFD方法,模拟了液氮加注过程,共底贮箱包括液氮贮箱和煤油贮箱以及共底夹层,从室温到加注完成的非稳态温度分布。数值模型考虑了贮箱表面可能结冰时的热边界条件变化以及由于壁面漏热导致的液氮/氮蒸气相变蒸发。为了防止煤油局部温度过低,重点分析了叉形环处包裹或未包裹PMI绝热材料对煤油温度场和液氮蒸发率的影响。计算结果表明,叉形环处包裹绝热材料时在自然蒸发阶段煤油局部最低温度小于240 K,而未包裹绝热材料时局部最低温度大于260 K,满足设计要求。仿真结果为液氧和煤油共底贮箱的优化设计提供参考。
【文章来源】：化工学报. 2020,71(S1)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
共底贮箱结构
新一代运载火箭采用无毒、无污染的液氧和煤油推进器[1]。共底贮箱包含煤油箱和液氧箱[2]，煤油箱在上，液氧箱在下，通过贮箱中间的椭球形共底上下隔开，共底结构通过叉形环与上下箱体连接。液氧箱外部包裹聚氨酯绝热泡沫。夹层构件由三个部分组成，如图1所示，包括厚度很薄但强度较高的椭球形上面板及下面板，上下面板间为厚度较厚但质量很轻的PMI泡沫夹芯，面板和夹芯间通过胶黏剂粘接在一起。由于常温煤油和低温液氧间温差约为200 K[3]，为使煤油温度满足发动机入口温度要求，液氧蒸发量满足增压系统要求，夹层共底需要良好的隔热性能，同时能承受大温差热应力以及煤油箱和液氧箱双向压力载荷。获得温度场分布是计算夹层热应力的基础。本文主要研究共底贮箱，特别是夹层处，在加注低温氧化剂降温过程的非稳态温度分布。研究的共底贮箱结构见图2，隔热共底贮箱主要由前短壳、前底、煤油箱筒段、夹层共底、液氧箱筒段、后底及后短壳等组成。国内研究者对共底贮箱已经展开了广泛研究[3-10]。孙培杰等[4]对新研制的新一代运载火箭液氧/煤油共底贮箱进行了隔热性能实验，煤油最低温度为-15℃，满足运载火箭发射需求。他们进一步对共底结构进行了传热数值分析，温差与实验相比小于10%，但没有建模液氧侧的流动和传热，且壁面温度边界条件设定为离散的实验测量值。李照谦等[5]报道了一种铝合金面板+PMI的大温差泡沫夹层共底贮箱结构，并进行了气密性、受压条件下的结构承力以及隔热性能测试，发现研制的共底结构煤油最低温度为17℃，总体满足对于煤油温度的要求。孙春方等[6]实验测量了聚合物泡沫与纤维增强复合材料组成的夹层结构刚度、强度及弯曲性能。李茂等[3]对共底贮箱基于Abaques软件开展了应力分析，对比了PMI泡沫和玻璃钢蜂窝夹芯性能，与低温静力实验对比吻合良好。David等[10]对受内压的共底贮箱进行了屈曲特性分析。
式中，γ为潜热。对于椭球形封头以及圆柱筒段，剩余液氮体积VN2以及浸没在液体中的表面积Aa(Af）都为液位高度H的函数，因此，从式(1)、式(2)和相应的几何关系式，可求得蒸发量以及液位高度H随时间t的变化。计算结果如图3所示，计算中涉及的材料物性都为常数。由图可知，液位高度和液氮蒸发量的变化受到液氮贮箱形状和加注速度的影响，函数大致分为4段，分段拟合出液位高度和液氮蒸发量关于时间的函数，作为气相空间CFD计算的边界条件通过UDF编程输入。1.1.2 气相空间动网格CFD计算
【参考文献】：
期刊论文
[1]航天低温复合材料贮箱国内外研究现状分析[J]. 湛利华,关成龙,黄诚,杨晓波. 航空制造技术. 2019(16)
[2]火箭燃料贮箱热力学排气系统控压性能仿真研究[J]. 夏斯琦,孙培杰,李鹏,王长焕,王磊,厉彦忠. 制冷学报. 2019(03)
[3]液氢贮箱停放过程中的力热分析[J]. 罗天培,张伟,李茂,张家仙. 宇航学报. 2019(05)
[4]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)
[5]液氢缩比贮箱蒸发特性数值模拟及实验验证[J]. 王舜浩,朱文俐,胡正根,周芮,余柳,王彬,张小斌. 化工学报. 2019(03)
[6]低温液氮贮箱增压及排气流量控制方法[J]. 周振君,雷刚,王天祥,轩志勇. 航空动力学报. 2018(05)
[7]长征五号火箭燃料箱铝合金打造[J]. 徐心宇,王祝堂. 轻合金加工技术. 2017(06)
[8]新一代运载火箭贮箱大温差泡沫夹层共底研制[J]. 李照谦,南博华,何腾锋,崔凡,毛惠明. 宇航材料工艺. 2016(04)
[9]大温差隔热共底在运载贮箱中的应用研究[J]. 李茂,韩涵,唐杰,顾铖璋,顾远之. 上海航天. 2016(S1)
[10]新一代低温液体快速发射运载火箭及其发展[J]. 张卫东,王东保. 上海航天. 2016(S1)
硕士论文
[1]大型共底贮箱结构优化设计[D]. 朱天宇.大连理工大学 2018
本文编号：3142064
【文章来源】：化工学报. 2020,71(S1)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
共底贮箱结构
新一代运载火箭采用无毒、无污染的液氧和煤油推进器[1]。共底贮箱包含煤油箱和液氧箱[2]，煤油箱在上，液氧箱在下，通过贮箱中间的椭球形共底上下隔开，共底结构通过叉形环与上下箱体连接。液氧箱外部包裹聚氨酯绝热泡沫。夹层构件由三个部分组成，如图1所示，包括厚度很薄但强度较高的椭球形上面板及下面板，上下面板间为厚度较厚但质量很轻的PMI泡沫夹芯，面板和夹芯间通过胶黏剂粘接在一起。由于常温煤油和低温液氧间温差约为200 K[3]，为使煤油温度满足发动机入口温度要求，液氧蒸发量满足增压系统要求，夹层共底需要良好的隔热性能，同时能承受大温差热应力以及煤油箱和液氧箱双向压力载荷。获得温度场分布是计算夹层热应力的基础。本文主要研究共底贮箱，特别是夹层处，在加注低温氧化剂降温过程的非稳态温度分布。研究的共底贮箱结构见图2，隔热共底贮箱主要由前短壳、前底、煤油箱筒段、夹层共底、液氧箱筒段、后底及后短壳等组成。国内研究者对共底贮箱已经展开了广泛研究[3-10]。孙培杰等[4]对新研制的新一代运载火箭液氧/煤油共底贮箱进行了隔热性能实验，煤油最低温度为-15℃，满足运载火箭发射需求。他们进一步对共底结构进行了传热数值分析，温差与实验相比小于10%，但没有建模液氧侧的流动和传热，且壁面温度边界条件设定为离散的实验测量值。李照谦等[5]报道了一种铝合金面板+PMI的大温差泡沫夹层共底贮箱结构，并进行了气密性、受压条件下的结构承力以及隔热性能测试，发现研制的共底结构煤油最低温度为17℃，总体满足对于煤油温度的要求。孙春方等[6]实验测量了聚合物泡沫与纤维增强复合材料组成的夹层结构刚度、强度及弯曲性能。李茂等[3]对共底贮箱基于Abaques软件开展了应力分析，对比了PMI泡沫和玻璃钢蜂窝夹芯性能，与低温静力实验对比吻合良好。David等[10]对受内压的共底贮箱进行了屈曲特性分析。
式中，γ为潜热。对于椭球形封头以及圆柱筒段，剩余液氮体积VN2以及浸没在液体中的表面积Aa(Af）都为液位高度H的函数，因此，从式(1)、式(2)和相应的几何关系式，可求得蒸发量以及液位高度H随时间t的变化。计算结果如图3所示，计算中涉及的材料物性都为常数。由图可知，液位高度和液氮蒸发量的变化受到液氮贮箱形状和加注速度的影响，函数大致分为4段，分段拟合出液位高度和液氮蒸发量关于时间的函数，作为气相空间CFD计算的边界条件通过UDF编程输入。1.1.2 气相空间动网格CFD计算
【参考文献】：
期刊论文
[1]航天低温复合材料贮箱国内外研究现状分析[J]. 湛利华,关成龙,黄诚,杨晓波. 航空制造技术. 2019(16)
[2]火箭燃料贮箱热力学排气系统控压性能仿真研究[J]. 夏斯琦,孙培杰,李鹏,王长焕,王磊,厉彦忠. 制冷学报. 2019(03)
[3]液氢贮箱停放过程中的力热分析[J]. 罗天培,张伟,李茂,张家仙. 宇航学报. 2019(05)
[4]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)
[5]液氢缩比贮箱蒸发特性数值模拟及实验验证[J]. 王舜浩,朱文俐,胡正根,周芮,余柳,王彬,张小斌. 化工学报. 2019(03)
[6]低温液氮贮箱增压及排气流量控制方法[J]. 周振君,雷刚,王天祥,轩志勇. 航空动力学报. 2018(05)
[7]长征五号火箭燃料箱铝合金打造[J]. 徐心宇,王祝堂. 轻合金加工技术. 2017(06)
[8]新一代运载火箭贮箱大温差泡沫夹层共底研制[J]. 李照谦,南博华,何腾锋,崔凡,毛惠明. 宇航材料工艺. 2016(04)
[9]大温差隔热共底在运载贮箱中的应用研究[J]. 李茂,韩涵,唐杰,顾铖璋,顾远之. 上海航天. 2016(S1)
[10]新一代低温液体快速发射运载火箭及其发展[J]. 张卫东,王东保. 上海航天. 2016(S1)
硕士论文
[1]大型共底贮箱结构优化设计[D]. 朱天宇.大连理工大学 2018
本文编号：3142064
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