本站小編為你精心準(zhǔn)備了低溫預(yù)冷管路流動(dòng)及傳熱非穩(wěn)態(tài)特性參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及管路循環(huán)預(yù)冷過程涉及復(fù)雜的流型轉(zhuǎn)換及傳熱過程，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)及其管路的預(yù)冷效果。為準(zhǔn)確分析低溫介質(zhì)加注充填過程中循環(huán)預(yù)冷管路內(nèi)部的流動(dòng)及傳熱特性，建立了一維均相平衡態(tài)流體流動(dòng)及傳熱數(shù)學(xué)模型，通過離散化方法分析了非穩(wěn)態(tài)過程液氫預(yù)冷循環(huán)管路中流體各參數(shù)的分布，獲得了低溫介質(zhì)充填過程管路傳熱變化規(guī)律及其影響因素。

關(guān)鍵詞:非穩(wěn)態(tài);循環(huán)預(yù)冷;截面含氣率;膜態(tài)沸騰

引言

自然循環(huán)預(yù)冷是低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷的重要發(fā)展趨勢，其是利用低溫推進(jìn)劑在兩垂直管路中的密度差驅(qū)動(dòng)自發(fā)性流動(dòng)實(shí)現(xiàn)對火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及其增壓輸送系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷，具有節(jié)省推進(jìn)劑消耗量、簡化工藝流程等特點(diǎn)。然而，低溫液體管路預(yù)冷過程內(nèi)在機(jī)理極其復(fù)雜，預(yù)冷管路內(nèi)可能產(chǎn)生劇烈氣化，引起較大壓力波動(dòng)。同時(shí)，伴隨預(yù)冷過程不斷進(jìn)行，循環(huán)驅(qū)動(dòng)力逐漸減弱，預(yù)冷效率降低。因此，研究低溫液體管路充填及預(yù)冷特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，國內(nèi)外對低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及低溫液體的管路預(yù)冷研究已有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道。文獻(xiàn)［1］～［3］主要針對低溫管路內(nèi)部傳熱機(jī)理及流型轉(zhuǎn)化進(jìn)行了理論分析和數(shù)值研究;文獻(xiàn)［4］～［7］采用實(shí)驗(yàn)方法研究了低溫管路預(yù)冷過程的流動(dòng)特性;文獻(xiàn)［8］分析了低溫流體預(yù)冷豎直管路的高速再淹沒傳熱特征，研究了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自然循環(huán)預(yù)冷過程中的溫降特性及其循環(huán)驅(qū)動(dòng)力變化趨勢。結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，針對低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自然循環(huán)預(yù)冷管路特性的研究相對較少。本文通過構(gòu)建一維均相平衡態(tài)流體數(shù)學(xué)模型，建立低溫流體管路傳熱計(jì)算模型，重點(diǎn)研究液氫燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)預(yù)冷管路非穩(wěn)態(tài)過程的變化規(guī)律。

1模型構(gòu)建

1.1物理模型及控制方程為分析低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)預(yù)冷管路的流動(dòng)與傳熱特性，將循環(huán)預(yù)冷回路簡化為輸送管段、泵前水平管、泵管段、泵后水平管和回流管五部分，圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)自然循環(huán)預(yù)冷管路示意簡圖。本文采用一維均相平衡態(tài)流體模型描述低溫流體推進(jìn)劑管路及泵體的預(yù)冷過程，假設(shè):1)管道內(nèi)部流動(dòng)為一維流動(dòng)，不考慮回流管出口處壓力波動(dòng)，即視為回流管出口處壓力為貯箱內(nèi)氣枕壓力與液柱壓力之和;2)忽略管內(nèi)流體及管壁的軸向?qū)幔瑑?nèi)管與絕熱層存在徑向的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱;3)氣液兩相按均勻混合考慮;4)氣液兩相之間處于熱力平衡狀態(tài)。則得到描述管路中流動(dòng)與換熱的控制方程:式中:p，A，ρ，u和t分別為壓力、截面積、流體密度、流體速度和時(shí)間;fR=λu2/(2D);θ為重力場與管流方向夾角;Sh為單元體預(yù)冷回路與低溫流體間的換熱量。為了使方程封閉，補(bǔ)充流體的狀態(tài)方程，ρ=p(p，T)。管壁與絕熱層內(nèi)的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程為:

1.2傳熱計(jì)算模型及離散化在低溫管路預(yù)冷充填過程中，低溫推進(jìn)劑先后經(jīng)歷膜態(tài)沸騰、過渡沸騰、核態(tài)沸騰和單相強(qiáng)制對流換熱階段。預(yù)冷開始階段，由于管壁溫度高于膜態(tài)沸騰起始點(diǎn)TL，換熱處于膜態(tài)沸騰階段，根據(jù)當(dāng)?shù)氐馁|(zhì)量含氣率是否大于0.1而決定處于反環(huán)狀流膜態(tài)沸騰或彌散流膜態(tài)沸騰;當(dāng)壁面溫度低于膜態(tài)沸騰傳熱的最低壁溫TL，而高于欠熱或飽和流體泡核沸騰傳熱的最高壁溫Tchf時(shí)，換熱處于過渡沸騰階段，根據(jù)實(shí)際壁溫進(jìn)行插值計(jì)算;當(dāng)壁面溫度介于欠熱或飽和流體泡核沸騰傳熱的最高壁溫Tchf和核態(tài)沸騰起始點(diǎn)溫度TONB之間時(shí)，換熱處于核態(tài)沸騰階段，并根據(jù)含氣率等于0或大于0決定是否處于過冷沸騰或飽和沸騰;當(dāng)管壁溫度低于TONB或含氣率為1時(shí)，換熱處于單相強(qiáng)制對流區(qū)［9］。把單位時(shí)間內(nèi)加注到管路中的定量工質(zhì)視為一個(gè)控制體，用一節(jié)點(diǎn)代表，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與時(shí)間步長數(shù)保持一致。某時(shí)刻控制體i的長度ΔLni及該節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)Lni分別為［10－12］:為分析自然循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)預(yù)冷過程，需要對方程(5)和(6)在空間和時(shí)間上進(jìn)行離散，沿預(yù)冷介質(zhì)流動(dòng)方向的離散方程為:式(5)～(8)中，下標(biāo)表示節(jié)點(diǎn)位置，上標(biāo)表示時(shí)間步長。沿程阻力壓降Δpni根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)選擇相應(yīng)公式計(jì)算。

2數(shù)值結(jié)果分析

以芯一級低溫氫氧液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)液氫預(yù)冷管路為研究對象，重點(diǎn)進(jìn)行液氫加注充填過程管路內(nèi)部流動(dòng)及傳熱的非穩(wěn)態(tài)特性分析。圖2為輸送管進(jìn)口速度及循環(huán)流量變化圖，由圖2可知，循環(huán)管路中輸送管進(jìn)口速度先快速增至最大值，而后迅速下降，并逐步趨于穩(wěn)定值。這是由于循環(huán)管路中的流動(dòng)壓降主要受流速和含氣率兩因素影響，在預(yù)冷過程開始階段，其出口為全氣相，循環(huán)管路中流動(dòng)阻力很大，使得輸送管進(jìn)口速度較小。由于回流管出口全氣相及大部分氣相的時(shí)間很短，在這一段阻力損失變化較大，使得速度變化比較陡峭。在此之后，流動(dòng)阻力主要受流速影響，隨著預(yù)冷介質(zhì)產(chǎn)生氣化的位置逐漸后移，流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力及阻力逐漸減小。圖3給出了回流管出口質(zhì)量/截面含氣率隨預(yù)冷時(shí)間的變化曲線。由于液氫過冷度很小，在預(yù)冷開始階段，回流管出口為全氣相，質(zhì)量含氣率、截面含氣率均為1，然后迅速減小。非穩(wěn)態(tài)過程中回流管出口質(zhì)量/截面含氣率變化主要受輸送管進(jìn)口速度和預(yù)冷管路壁面溫度的影響。對于非穩(wěn)態(tài)傳熱，在開始預(yù)冷階段管路溫度變化很快，隨后逐漸減慢，基本成指數(shù)曲線關(guān)系變化，這使得回流管出口質(zhì)量含氣率、截面含氣率具有類似的特征。邊界條件一定時(shí)，輸送管進(jìn)口速度增加時(shí)，回流管出口質(zhì)量含氣率、截面含氣率將會(huì)減小，反之亦然。圖4給出了不同時(shí)刻時(shí)循環(huán)管路沿程各位置點(diǎn)的截面含氣率變化。從圖中可以看出，氣化點(diǎn)位置隨時(shí)間的推移逐漸往后推移，約5000s以后截面含氣率開始趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)。圖5給出了輸送管內(nèi)壁面一特征點(diǎn)溫度變化曲線，該特征點(diǎn)依次經(jīng)歷四個(gè)典型階段:膜態(tài)沸騰、過渡沸騰、核態(tài)沸騰以及單相液體強(qiáng)制對流。循環(huán)管路上其他各點(diǎn)與該特征點(diǎn)具有相類似的溫度變化曲線，只是相對應(yīng)的各轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度及相應(yīng)的時(shí)間略有區(qū)別而已。由圖可知，由于TFL和TONB很低，加上過渡沸騰階段與核態(tài)沸騰階段涉及的溫度區(qū)間太小，因而壁面溫度的降低主要集中在膜態(tài)沸騰階段。圖6給出了泵管道內(nèi)壁面一特征點(diǎn)處的溫度變化曲線，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)該點(diǎn)壁溫高于核態(tài)沸騰起始點(diǎn)溫度，處于兩相流動(dòng)區(qū)，故沒有單相對流階段。初始階段，管壁溫度下降很快，而后為一定值。這是由于初始階段管內(nèi)全部為氣相，預(yù)冷介質(zhì)處于過熱狀態(tài)，當(dāng)管內(nèi)很快進(jìn)入兩相狀態(tài)后，由于管路壓力為定值，使得該特征點(diǎn)處溫度此后為一定值。

3結(jié)論

通過構(gòu)建液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自然循環(huán)預(yù)冷的一維均相平衡態(tài)流體數(shù)學(xué)模型，分析了非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)液氫循環(huán)預(yù)冷管路內(nèi)介質(zhì)流速、流量、含氣率和壁面溫度的變化規(guī)律，獲得了不同管段特征點(diǎn)的溫度曲線，為提高低溫發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷效率和優(yōu)化管路絕熱設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

［1］高芳，陳陽，張振鵬低溫液體推進(jìn)劑充填管路的數(shù)值模擬［J］．航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2007，22(1):108－113．

［2］程謀森，劉昆，張育林．液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷與啟動(dòng)過程數(shù)值模擬綜述［J］．推進(jìn)技術(shù)，2002，23(3):177－181．

［3］程謀森，劉昆，張育林．低溫推進(jìn)劑供應(yīng)管路預(yù)冷充填瞬變流計(jì)算［J］．推進(jìn)技術(shù)，2000，21(5):38－41．

［4］程向華，陳二峰，厲彥忠．低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自然循環(huán)預(yù)冷研究［J］．火箭推進(jìn)，2012，38(5):1－6．

［5］李琦芬，陳國邦，謝雪梅，等．低溫輸液泵自然循環(huán)預(yù)冷模擬試驗(yàn)［J］．推進(jìn)技術(shù)，2005，26(2):167－173．

［6］鄭錫亮低溫推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)預(yù)冷實(shí)驗(yàn)和分析方法研究［D］．杭州:浙江大學(xué)，2003．

［7］楊永強(qiáng)，劉站國，徐浩海．液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)低溫組元兩相充填過程研究［J］．火箭推進(jìn)，2006，32(2):11－15．

［8］張亮，林文勝，魯雪生，等．低溫推進(jìn)劑雙管輸送系統(tǒng)的循環(huán)預(yù)冷實(shí)驗(yàn)研究［J］．推進(jìn)技術(shù)，2004，25(1):51－53．

［9］陳二鋒，厲彥忠，程向華，等．管路預(yù)冷的高速再淹沒傳熱模型及數(shù)值研究［J］．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)．2009，37(2):104－107．

［10］徐濟(jì)鋆，沸騰傳熱和氣液兩相流［M］．北京:原子能出版社，1993．

［11］陶文銓，數(shù)值傳熱學(xué)［M］．西安:西安交通大學(xué)出版社，2002．

［12］任德鵬，丁鵬飛，夏新林，等，低溫液體填充管路的數(shù)值計(jì)算［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25(1):118－120．

作者：程向華 薛會(huì)建 李宏剛 厲彥忠 單位：西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所