一种低温推进剂贮箱内喷雾掺混的仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种低温推进剂贮箱内喷雾掺混的仿真计算方法，属于航天运输总体设计领域，背景为低温推进剂长时间在轨蒸发量控制，主要涉及到采用喷雾掺混方式下低温推进剂长时间在轨贮箱压力控制的仿真方法。本发明专利技术对于喷雾和两相流的计算采用离散相结合VOF方法，建立了对低温推进剂贮箱内喷雾掺混的计算流体力学仿真模型，该方法得到的结果与试验结果吻合良好，相较于简单的集总参数模型，可实现对贮箱内流体形态、温度变化、换热趋势的预测；通过本发明专利技术的方法，可以对不同流量、流速、喷注温度下的掺混进行仿真设计，优化喷雾掺混方案对长时间在轨低温推进剂贮箱压力的能力，为工程实现长时间在轨蒸发量控制技术作出贡献。

A simulation method of spray mixing in a cryogenic propellant tank

The invention relates to a simulation of cryogenic propellant tank spray mixing method, belonging to the field of the overall design of the space transportation, for a long time in the background of cryogenic propellant evaporation control, mainly related to the spray mixing mode of cryogenic propellant tank pressure control in long time simulation method. The present invention for the calculation of spray and two-phase flow in discrete combination by VOF method, and established the cryogenic propellant tank spray mixing CFD simulation model, the obtained results are in good agreement with the experimental results, the lumped parameter model compared to the simple, can be realized on the fluid tank, temperature change, morphology heat transfer trend prediction; the method of the invention can be of different flow rate, flow rate, injection temperature mixing simulation design, optimization of spray mixing ability scheme for long time in cryogenic propellant tank pressure, for long time in engineering realization evaporation control technology contribution.

【技术实现步骤摘要】
一种低温推进剂贮箱内喷雾掺混的仿真方法
本专利技术涉及一种低温推进剂贮箱内喷雾掺混的仿真方法，属于航天运输器总体设计

技术介绍
低温推进剂是指在大气压力下沸点低于112K的液体推进剂，如液氢、液氧、甲烷等。低温推进剂有着高比冲性能、无毒无污染的优势，但低温推进剂沸点低，受热极易汽化，难于贮存，随着深空探测任务的开展，对低温推进剂长时间在轨提出了迫切需求。我国未来重型火箭三子级采用液氢液氧推进剂，对低温推进剂长时间在轨时间要求为5天，其中液氧蒸发量要求每天小于0.17％，液氢蒸发量要求每天小于2.94％，否则会降低运载能力，使得深空探测任务无法完成。低温推进剂在轨贮存的过程中，贮箱压力受外界热流作用不断升高，为维持贮箱结构不发生破坏，需要排气以维持压力，排气将造成大量的推进剂损失。贮箱内流体行为特性尤其是贮箱压力的控制是低温推进剂长时间在轨的关键。目前我国在该领域的研究刚刚起步，无相关在轨试验数据，仿真方法较为欠缺，亟需能够实现各蒸发量控制方案的仿真方法，以具备对在轨蒸发量控制方案的设计能力。低温推进剂长时间在轨蒸发量控制方案包括被动控制技术和主动控制技术。对于较长时间的在轨任务，可采用主动控制方案，喷雾掺混是主动控制方案的一种。如附图1所示，喷雾掺混方案使用泵将贮箱内的流体引出，并通过喷雾棒上的喷孔，将流体重新径向喷入贮箱。喷孔可以被布置在气枕温度较高的位置，从而利用喷出较低温度的液滴对气枕进行降温，气枕温度的降低将使贮箱压力明显降低，从而实现贮箱压力的控制。径向喷雾掺混包含液滴与气体的换热和相变过程。低温推进剂流体行为特性的仿真包括对地面条件下和微重力环境下，以及被动控制方案下和主动控制方案下的仿真。国内外学者对地面条件下的低温推进剂在被动控制方案下的蒸发量预示有一定的研究，但对于主动控制方案的仿真尤其是喷雾掺混的仿真，仍缺乏能够有效预测贮箱压力、气枕温度、流体形态以及喷雾形态的仿真方法。如果只通过简单的集总参数法进行仿真计算，无法得到流体形态、温度分布等结果，同时贮箱压力的预示的准确性也无法得到保障，必须通过计算流体力学的方法解决液滴运动、传热传质及两相流耦合的问题，有效预示贮箱压力等流体行为特性，通过不同流量、流速、温度等参数的调整，优化喷雾掺混对贮箱压力的控制能力。
技术实现思路
本专利技术的技术解决的问题是：为弥补现有蒸发量控制仿真技术对喷雾掺混条件下仿真能力的不足，建立了一种适用于喷雾掺混下的低温推进剂贮箱内流体行为特性的仿真方法，满足在轨蒸发量控制方案的仿真设计能力。一种低温推进剂贮箱内喷雾掺混的仿真方法，该方法的步骤包括：(1)对贮箱内的流场区域进行网格划分；(2)建立贮箱内连续相的蒸发/冷凝模型；(3)建立向贮箱内喷雾时所产生的离散相液滴与贮箱内连续相之间的传热传质模型；(4)建立向贮箱内喷雾时所产生的离散相液滴向连续相液相的转化模型；(5)根据步骤(2)、(3)和(4)得到的模型采用VOF(容积比率法)与离散相模型相耦合的方法得到低温推进剂贮箱内喷雾掺混的流体力学仿真模型；(6)根据步骤(5)得到的流体力学仿真模型设置初始条件与边界条件进行仿真计算，得到特定工况下的贮箱内的流场的形态以及贮箱内的流场的压力温度变化等流体行为特性；(7)通过调整步骤(6)中的边界条件，得到不同边界条件下贮箱内流畅的压力、温度等流体行为特性的变化规律，并进行比较分析，得到不同边界条件对贮箱内流场的压力控制的影响，并优化贮箱压力控制能力。所述的步骤(2)中，蒸发/冷凝模型为蒸发/冷凝的质量源项和能量源项。所述的步骤(2)中，建立贮箱内连续相的蒸发/冷凝模型的方法为：对网格单元内的液相体积分数进行判断，如果液相体积分数小于0.01或大于0.99，则质量源项为0，能量源项也为0。所述的步骤(2)中，建立贮箱内连续相的蒸发/冷凝模型的方法为：对网格单元内的液相体积分数进行判断，如果液相体积分数大于等于0.01且小于等于0.99，则对网格单元内的液相温度进行判断，如果网格单元内的液相温度高于饱和温度，则液相发生蒸发；如果网格单元内的液相温度小于等于饱和温度，则判断液网格单元内的气相压力，如果网格内的气相压力高于饱和蒸汽压，则发生冷凝；如果网格单元内的液相温度小于等于饱和温度，则判断液网格单元内的气相压力，如果网格内的气相压力小于等于饱和蒸汽压，则质量源项为0，能量源项也为0。在发生蒸发和冷凝时，质量源项为：其中，αeva为蒸发适应系数，ρg为气体密度，hfg为潜热，R为普适气体常数，Ts为饱和温度，Tl为液相温度；在发生蒸发和冷凝时，能量源项S为：所述的步骤(3)中，传热模型为Q＝ΔT·h·A；传质模型为：Δmp＝m0cp(Tp-Ts)/hfg其中，ΔT为离散相液滴与连续相之间的温差；h为对流换热系数；A为液滴表面积；m0表示前一时间步长的液滴质量，cp为液滴比热容，Tp为离散相液滴的温度。传热模型中h的计算方法根据确定；根据得到的传热模型得到离散相液滴的温度Tp，Tp＝Tp0+Q/mpcp；其中，Q为传热量，h为对流换热系数，A为液滴表面积，Nu为努赛尔特数，dp为液滴直径，λ∞为连续相的导热系数，C为液滴传热常数，Red为液滴的雷诺数，Pr为普朗特数，Tp0表示前一时间步长的液滴温度，mp为液滴质量，cp为液滴比热容。Δmp为离散相液滴减少的质量，即传质速率。所述的步骤(4)中，建立向贮箱内喷雾时所产生的离散相液滴向连续相液相的转化模型的方法为：当离散相液滴进入连续相液相时或接触壁面时，在离散相中移除该液滴，并将该被移除的液体的质量和能量补充至连续相液相中。所述的步骤(6)中，边界条件包括喷雾流量、喷雾速度和喷雾温度。有益结果(1)本专利技术采用计算流体力学的仿真方法对低温推进剂贮箱内的喷雾掺混进行流体行为特性仿真，相比于简单的集总参数法，该方法可以得到详细的贮箱内流体形态、温度、压力等分布参数，并得到更准确的贮箱压力预示。(2)本专利技术采用离散相与VOF结合的方法，可以处理基于喷雾的主动蒸发量方案下液滴的运动和传热传质、具有明显分界面的气液两相流、两相之间进行传热和蒸发/冷凝的复杂问题，不再需要极为精密的网格以描述液滴的流动，该方法的开发，大大提高了计算效率。仿真计算结果与国外地面试验结果吻合良好，得到了较为准确的压力变化趋势和合理的温度分布。(3)本专利技术的方法中，解决了对低温推进剂喷雾掺混进行计算流体力学仿真计算的问题，实现了贮箱内流体行为特性的流场细化仿真，可研究不同参数对贮箱压力控制的影响，并得出其影响趋势，从而指导贮箱压力控制能力的优化。(4)本专利技术涉及一种低温推进剂贮箱内喷雾掺混的仿真计算方法，属于航天运输总体设计领域，背景为低温推进剂长时间在轨蒸发量控制，主要涉及到采用喷雾掺混方式下低温推进剂长时间在轨贮箱压力控制的仿真方法。本专利技术对于喷雾和两相流的计算采用离散相结合VOF方法，建立了对低温推进剂贮箱内喷雾掺混的计算流体力学仿真模型，该方法得到的结果与试验结果吻合良好，相较于简单的集总参数模型，可实现对贮箱内流体形态、温度变化、换热趋势的预测；通过本专利技术的方法，可以对不同流量、流速、喷注温度下的掺混进行仿真设计，优化喷雾掺混方案对长时间在轨低温推进剂贮箱压力的能力，为工程实现长时间在轨蒸发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温推进剂贮箱内喷雾掺混的仿真方法，其特征在于该方法的步骤包括：(1)对贮箱内的流场区域进行网格划分；(2)建立贮箱内连续相的蒸发/冷凝模型；(3)建立向贮箱内喷雾时所产生的离散相液滴与贮箱内连续相之间的传热传质模型；(4)建立向贮箱内喷雾时所产生的离散相液滴向连续相液相的转化模型；(5)根据步骤(2)、(3)和(4)得到的模型采用VOF(容积比率法)与离散相模型相耦合的方法得到低温推进剂贮箱内喷雾掺混的流体力学仿真模型；(6)根据步骤(5)得到的流体力学仿真模型设置初始条件与边界条件进行仿真计算，得到特定工况下的贮箱内的流场的形态以及贮箱内的流场的压力温度变化等流体行为特性；(7)通过调整步骤(6)中的边界条件，得到不同边界条件下贮箱内流畅的压力、温度等流体行为特性的变化规律，并进行比较分析，得到不同边界条件对贮箱内流场的压力控制的影响，并优化贮箱压力控制能力。

【技术特征摘要】
1.一种低温推进剂贮箱内喷雾掺混的仿真方法，其特征在于该方法的步骤包括：(1)对贮箱内的流场区域进行网格划分；(2)建立贮箱内连续相的蒸发/冷凝模型；(3)建立向贮箱内喷雾时所产生的离散相液滴与贮箱内连续相之间的传热传质模型；(4)建立向贮箱内喷雾时所产生的离散相液滴向连续相液相的转化模型；(5)根据步骤(2)、(3)和(4)得到的模型采用VOF(容积比率法)与离散相模型相耦合的方法得到低温推进剂贮箱内喷雾掺混的流体力学仿真模型；(6)根据步骤(5)得到的流体力学仿真模型设置初始条件与边界条件进行仿真计算，得到特定工况下的贮箱内的流场的形态以及贮箱内的流场的压力温度变化等流体行为特性；(7)通过调整步骤(6)中的边界条件，得到不同边界条件下贮箱内流畅的压力、温度等流体行为特性的变化规律，并进行比较分析，得到不同边界条件对贮箱内流场的压力控制的影响，并优化贮箱压力控制能力。2.根据权利要求1所述的一种低温推进剂贮箱内喷雾掺混的仿真方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，蒸发/冷凝模型为蒸发/冷凝的质量源项和能量源项。3.根据权利要求2所述的一种低温推进剂贮箱内喷雾掺混的仿真方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，建立贮箱内连续相的蒸发/冷凝模型的方法为：对网格单元内的液相体积分数进行判断，如果液相体积分数小于0.01或大于0.99，则质量源项为0，能量源项也为0。4.根据权利要求2所述的一种低温推进剂贮箱内喷雾掺混的仿真方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，建立贮箱内连续相的蒸发/冷凝模型的方法为：对网格单元内的液相体积分数进行判断，如果液相体积分数大于等于0.01且小于等于0.99，则对网格单元内的液相温度进行判断，如果网格单元内的液相温度高于饱和温度，则液相发生蒸发；如果网格单元内的液相温度小于等于饱和温度，则判断液网格单元内的气相压力，如果网格内的气相压力高于饱和蒸汽压，则发生冷凝；如果网格单元内的液相温度小于等于饱和温度，则判断液网格单元内的气相压力，如果网格内的气相压力小于等于饱和蒸汽压，则质量源项为0，能量源项也为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王夕，罗庶，陈士强，容易，王珏，王楠，黄辉，尕永婧，朱平平，魏一，邵业涛，汤波，
申请(专利权)人：北京宇航系统工程研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11