考虑气体成分变化的低温推进剂贮箱增压性能预测方法技术

本发明专利技术涉及一种低温推进剂贮箱增压性能预测方法，具体涉及一种考虑气体成分变化的低温推进剂贮箱增压性能预测方法。本发明专利技术的目的是解决现有技术缺乏考虑贮箱内气体成分变化的低温推进剂贮箱模型，导致无法准确预测推进剂贮箱增压性能的技术问题。首先建立了低温推进剂贮箱气相区域和液相区域分别的能量方程和连续方程，以及气相区域内实际混合气体的状态方程及低温推进剂贮箱内的附加方程，构成低温推进剂贮箱数学模型的基本方程；然后分别建立传热模型、传质模型及混合气体模型，最后得到了完整的低温推进剂贮箱仿真模型，可用于预测低温推进剂贮箱的增压性能。测低温推进剂贮箱的增压性能。测低温推进剂贮箱的增压性能。

【技术实现步骤摘要】
考虑气体成分变化的低温推进剂贮箱增压性能预测方法


[0001]本专利技术涉及一种低温推进剂贮箱增压性能预测方法，具体涉及一种考虑相变及气体成分变化的低温推进剂贮箱增压性能预测方法。

技术介绍

[0002]低温推进剂贮箱是增压输送系统的核心部件，在贮箱增压过程中，不仅存在复杂的流
‑
固、气
‑
液两相耦合传热传质现象，还存在由于贮箱漏热引起的推进剂贮箱热分层现象，同时低重力环境下的表面张力对贮箱内液体的流动也存在影响。因此，低温推进剂贮箱是低温增压输送系统中研究难度最大的组件。
[0003]数值模拟的出现为推进剂贮箱研究提供了巨大的便利，许多学者通过建立推进剂贮箱模型对贮箱增压过程进行了详细研究，并获得了许多有价值的结论。其中，有学者对贮箱增压过程中流体的热力学性质、传热及传质现象等进行了充分地研究，建立了贮箱增压系统的热力学模型，模拟了氧化剂贮箱的自生增压过程，并将仿真结果与实验测量结果进行对比，验证了模型的有效性；有学者为了研究液氢贮箱自生增压过程中的压力控制问题，建立了贮箱内流体流动及气液相变过程的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑气体成分变化的低温推进剂贮箱增压性能预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将低温推进剂贮箱分为气相区域和液相区域，建立气相区域和液相区域分别的能量方程和连续方程，以及气相区域内实际混合气体的状态方程及低温推进剂贮箱内的附加方程，构成低温推进剂贮箱数学模型的基本方程；所述附加方程包括贮箱气
‑
液界面的温度方程、气相和液相的体积变化率方程、气相和液相的密度变化率方程、与气枕气体接触的贮箱壁温方程、与推进剂接触的贮箱壁温方程；2)分析贮箱内主要的传热、传质过程，并根据主要的传热、传质过程建立贮箱内的传热模型和传质模型；3)建立实际混合气体模型；4)根据步骤1、步骤2)和步骤3)所得结果，建立低温推进剂贮箱的仿真模型，预测低温推进剂贮箱的增压性能。2.根据权利要求1所述的考虑气体成分变化的低温推进剂贮箱增压性能预测方法，其特征在于：步骤2)中，所述根据主要的传热、传质过程建立贮箱内的传热模型和传质模型具体为：A)以贮箱内部的传热过程为主，建立自然对流传热模型；所述贮箱内部的传热过程包括贮箱壁与增压气体之间的对流换热、贮箱壁与推进剂之间的对流换热、增压气体与气
‑
液界面之间的对流换热、推进剂与气
‑
液界面之间的对流换热；B)以推进剂的蒸发为主，通过建立气
‑
液界面的能量平衡方程获得传质模型。3.根据权利要求2所述的考虑气体成分变化的低温推进剂贮箱增压性能预测方法，其特征在于，步骤3)具体包括以下步骤：3.1)分别建立实际混合气体中各组分的热力学性质、摩尔分数和质量分数计算方程，并利用其计算各组分的热力学参数、摩尔分数和质量分数；3.2)利用步骤3.1)所得结果，建立实际混合气体各热力学参数的计算方程作为实际混合气体模型。4.根据权利要求1至3任一所述的考虑气体成分变化的低温推进剂贮箱增压性能预测方法，其特征在于：步骤4)中，所述建立低温推进剂贮箱的仿真模型采用建模仿真软件AMESim的二次开发工具AMESet，具体包括以下步骤：4.1)根据低温推进剂贮箱的结构设计贮箱的图标，并根据各端口的流体性质定义端口类型；4.2)根据模型的结构、输入、输出及拟观测量，定义低温推进剂贮箱的外部变量、内部变量、整型参数及实型参数；4.3)根据步骤1)至步骤3)所得结果，编写低温推进剂贮箱各功能模块的源代码；4.4)调试程序，完成低温推进剂贮箱仿真模型的建立。5.根据权利要求1所述的考虑气体成分变化的低温推进剂贮箱增压性能预测方法，其特征在于：步骤1)中，气相区域的能量方程和连续方程构成气相区域的控制方程，液相区域的能
量方程和连续方程构成液相区域的控制方程；a)控制方程气相区域的控制方程：能量方程：其中，连续方程：液相区域的控制方程：能量方程：其中，其中，其中，连续方程：其中，T
g
、P
g
、ρ
g
、V
g
、m
g
分别为气枕气体的温度、压强、密度、体积、质量；分别为气枕气体的温度、压强、密度、体积及质量对时间的导数；为进入贮箱的增压气体的质量流量；为推进剂蒸发的质量流量；u
g
为单位质量气体的内能；F为u
g
对ρ
g
的偏导数；C
vg
为气体的定容比热容；h
pg
为增压气体的比焓；h
v
为推进剂蒸汽的比焓；T
l
、P
l
、ρ
l
、V
l
、m
l
分别为推进剂的温度、压强、密度、体积、质量；
分别为推进剂的温度、压强、密度、体积及质量对时间的导数；为流出贮箱的推进剂的质量流量；u
l
为单位质量推进剂的内能；F1为u
l
对T
l
的偏导数；F2为u
l
对ρ
l
的偏导数；C
vl
为推进剂的定容比热容；h
prop
为流出贮箱的推进剂的比焓；h
l
为推进剂表面层的比焓；R为通用气体常数，A、B、T
r
均为F1和F2的计算方程中涉及到的变量；Z为流体的压缩因子，a、b、α、k为状态方程中涉及的系数；T
c
为流体的临界温度；为增压气体和与增压气体接触的贮箱壁之间的换热量；为增压气体和气
‑
液界面之间的换热量；为推进剂和与推进剂接触的贮箱壁之间的换热量；为推进剂表面层与气
‑
液界面的换热量；为推进剂蒸发的质量流量；为流出贮箱的推进剂质量流量；b)状态方程的获取方法如下：对于实际纯净气体状态方程引入混合规则对其进行修正，以适用于混合气体：对于实际纯净气体状态方程引入混合规则对其进行修正，以适用于混合气体：对于实际纯净气体状态方程引入混合规则对其进行修正，以适用于混合气体：对于实际纯净气体状态方程引入混合规则对其进行修正，以适用于混合气体：其中，R＝8.3144J/mol/K；v
g
＝M
g
V
g
/m
g
；M
g
为流体的相对分子质量；a和b均为Peng
‑
Robinson状态方程的系数；i、j为下标，用于区分不同的气体；T
g
为流体的温度；x
i
为组分i的摩尔分数，b
i
为组分i状态方程的系数，a
i
为组分i状态方程的系数；a
j
为组分j状态方程的系数；a
ij
为状态方程系数a修正方程中的参数；
k
ij
为二元相互作用参数；c)附加方程包括：贮箱气
‑
液界面的温度等于贮箱气枕压力对应的饱和温度T
Sat
，方程为：T
i
＝T
l,Sat
(P
g
)气相和液相的体积变化率方程：气相和液相的体积变化率方程：气相和液相的密度变化率方程：气相和液相的密度变化率方程：与气枕气体接触的贮箱壁温方程：与推进剂接触的贮箱壁温方程：其中，T
i
为气
‑
液界面的温度；T
l,Sat
(*)为用于计算液体饱和温度的函数；为与气枕气体接触的贮箱壁温对时间的导数；C
pwl
为与推进剂接触的贮箱壁的定压比热容；T
wl
为与推进剂接触的贮箱壁温；T
wg
为与气枕气体接触的贮箱壁温；为与推进剂接触的贮箱壁温对时间的倒数；为单位时间内与气枕气体接触的贮箱壁质量的增量；C
pwg
为与气枕气体接触的贮箱壁的定压比热容；m
wg
为与气枕气体接触的贮箱壁的总质量；m
wl
为与推进剂接触的贮箱壁的总质量；为与气枕气体接触的贮箱壁和外部环境之间的换热量；为与推进剂接触的贮箱壁和外部环境之间的换热量。6.根据权利要求2所述的考虑气体成分变化的低温推进剂贮箱增压性能预测方法，其特征在于：步骤2)的步骤A)中，所述贮箱壁与增压气体之间的对流换热为步骤2)的步骤A)中，所述贮箱壁与增压气体之间的对流换热为
其中，h
gw
为贮箱壁与增压气体之间的平均对流换热系数；A
gw
为贮箱壁与增压气体之间的对流换热面积；T
wg
为与气枕气体接触的贮箱壁温；Ra
gw
为贮箱壁与增压气体之间的自然对流换热涉及的瑞利数；C
gw
和n
gw
为平均对流换热系数经验公式中涉及的常数；k
gwf
为气枕气体在物性参考温度下的导热系数；L
gw
为贮箱壁与增压气体换热面的特征长度；a为飞行器的加速度；ρ
wg
为气枕气体在与其接触的贮箱壁温下的密度；μ
gwf
为气枕气体在物性参考温度下的绝对粘度；α
gwf
为气枕气体在物性参考温度下的热扩散系数；物性参考温度为：贮箱壁与推进剂之间的对流换热为贮箱壁与推进剂之间的对流换热为贮箱壁与推进剂之间的对流换热为贮箱壁与推进剂之间的对流换热为其中，h
lw
为贮箱壁与推进剂之间的平均对流换热系数；A
lw
为贮箱壁与推进剂之间的对流换热面积；Ra
lw
为贮箱壁与推进剂之间的自然对流换热涉及的瑞利数；C
lw
、n
lw
为平均对流换热系数经验公式中涉及的常数；k
l
为推进剂的导热系数；L
lw
为贮箱壁与推进剂换热面的特征长度；ρ
wl
为推进剂在与其接触的贮箱壁温下的密度；α

【专利技术属性】
技术研发人员：崔星，陈晖，张航，张振臻，宋春，马冬英，高远皓，
申请(专利权)人：西安航天动力研究所，
类型：发明
国别省市：