一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除方法技术

本发明专利技术涉及航天发动机利用技术领域，尤其涉及一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除方法，包括以下步骤：S1，建立待清除发动机的三维模型，并进行煤油清除过程的数值模拟，获得不同工况下发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度的模拟值；制备待清除发动机的试验件，并在与数值模拟相同的工况下进行煤油清除试验，获得不同工况下发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度的实验值；S2，设定标准误差，并计算模拟值与实验值之间的实验误差，当实验误差小于标准误差时，发动机采用数值模拟时的煤油清除参数进行清除。本发明专利技术通过数值模拟和实验研究发动机腔体进行循环吹除、抽吸操作清除附着于壁面与内部残留煤油过程，探究处理过程中的机理问题并得出最优处理方法。得出最优处理方法。得出最优处理方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除方法


[0001]本专利技术涉及航天发动机利用
，具体为一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除方法。

技术介绍

[0002]火箭是世界各国进行太空活动的主要运载工具，且大多数的火箭发动机都是一次性的。开发可回收和重复使用的火箭发动机，可以节约火箭探索开发成本和缩短项目的研制周期。为降低一次性运载火箭发射成本，宇航界一直在致力于研制像飞机一样可以多次自由进出太空的重复使用运载器。占全箭成本三分之一的发动机，是重复使用运载器研究的重要部分。
[0003]火箭发动机在试车运行过程后，发动机腔体壁面会附着煤油膜，而这会带来燃料的残留，使得壁面附着液态煤油。由于发动机内壁面煤油的残留量直接影响下次的使用性能。所以发动机腔道内壁的煤油清除问题亟待解决。火箭发动机测试使用后的发动机内壁面残余煤油的清除是可回收和重复使用的火箭发动机面临的重要问题。
[0004]现有的发动机内壁清洗采用热氮气吹除和真空抽吸相结合的方式，在吹除时间、真空抽吸时间和真空度的选择上仍依靠传统的经验进行操作，现有清洁作业存在用时较长，清洁效果不理想等问题，缺乏科学的理论指导。
[0005]现行采取的试后清除的流程和步骤较为复杂，包括对发动机不同腔道的循高压氮气吹除、抽真空等操作，清除过程中存在煤油蒸发扩散及对流传质现象。目前对于壁面上残留煤油液滴蒸发扩散及对流传质机理的认识并不完善，工程应用中对于液滴蒸发扩散及对流传质过程多采用经验公式进行研究。因此，需深入研究发动机内壁碳氢化合物的蒸发扩散及对流传热传质机理。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的发动机内壁煤油清除流程较为复杂的问题，本专利技术提供一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除方法。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0008]一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除方法，包括以下步骤：
[0009]S1，建立待清除发动机内壁腔体的三维模型，并进行煤油清除过程的数值模拟，获得不同工况下发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度的模拟值；
[0010]制备待清除发动机内壁腔体的试验件，并在与数值模拟相同的工况下进行煤油清除试验，获得不同工况下发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度的实验值；
[0011]S2，设定标准误差，并计算相同工况下发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度模拟值与发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度实验值之间的实验误差，之后比较实验误差与标准误差来获取模拟结果；
[0012]当实验误差小于标准误差时，此时发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度模拟值是可靠
的，发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度模拟值对应的清除过程的参数设置是有效的，发动机采用数值模拟时的煤油清除参数进行清除；当实验误差大于标准误差时，对数值模拟时的煤油清除参数进行重新设置，直至实验误差小于标准误差。
[0013]优选的，在S1中，待清除发动机的数值模拟过程为：
[0014]S11，采用Solidworks建立待清除发动机的三维模型，建模时腔体左端及右端设置有气体进口及气体出口，腔体中间设置有抽吸口；
[0015]S12，利用网格划分软件ICEM划分三维模型的计算网格，计算网格为非结构网格；
[0016]S13，设置进出口和壁面边界条件、清除过程的操作参数以及待清除煤油的材料参数，采用有体积法对划分计算网格后的三维模型进行数值模拟，获得发动机的三维模型腔体内壁煤油蒸汽浓度的模拟值。
[0017]优选的，在S12中，划分计算网格时，首先分离处各个流体域，再对各个流体域生成体网格。
[0018]优选的，在S13中，清除过程中的参数为：吹除过程时的压力为1MPa，抽吸过程时的压力为2KPa；抽吸和吹除过程10分钟/循环、20分钟/循环和30分钟/循环，处理时间120min；操作压力为标准大气压。
[0019]优选的，吹除过程时进气口设置为压力进口，气体出口压力为压力出口；抽吸过程时抽吸口设置为压力出口。
[0020]优选的，在S13中，边界条件为对流传热边界条件模型。
[0021]优选的，吹除过程与抽吸过程均采用Eulerian双流体模型进行计算。
[0022]优选的，在S2中，实验误差的计算公式为：
[0023][0024]优选的，在S2中，标准误差为20％。
[0025]优选的，在S1中，待清除发动机的的三维模型与待清除发动机的试验件的尺寸比例为1：1。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0027]本专利技术一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除模拟方法通过数值计算研究火箭发动机腔体高压氮气吹除过程和不同循环时间的高压氮气吹除低压抽吸组合操作对内壁面残留煤油清除效果。在实验过程中使用气相色谱测量处理前后腔体气相中煤油蒸气浓度，来表征清除效果同时验证模拟准确性。同时使用数值模拟研究过程中传质机理，进而得出火箭发动机不同腔道试后处理效果的影响规律，提出高效解决火箭发动机试车后的内壁面残余煤油的清除方法。
[0028]结合实验数据，对碳氢化合物蒸发扩散及对流传热传质机理进行综合分析与优化，找到高效的发动机腔体壁面清洁处理方法。
[0029]本专利技术一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除模拟方法可以探究发动机内壁煤油的蒸发扩散及传热传质机理，寻求吹除和抽吸操作等试后处理流程的优化方案。通过数值模拟和实验研究发动机腔体进行循环吹除、抽吸操作清除附着于壁面与内部残留煤油过程，探究处理过程中的机理问题并得出最优处理方法，进而得出试后处理结果的影响规律，解决试车使用后的发动机内壁面残余煤油的清除问题。
[0030]本专利技术通过数值计算研究火箭发动机腔体高压氮气吹除过程和不同循环时间的吹除低压抽吸组合操作对内壁面残留煤油清理效果。在实验过程中使用处理前后腔体气相中煤油蒸气浓度来表征清理效果同时验证模拟准确性。同时使用数值模拟研究过程中传质机理，进而得出火箭发动机不同腔道试后处理效果的影响规律，提出高效解决火箭发动机试车后的内壁面残余煤油的清理方法。
附图说明
[0031]图1为本专利技术液体火箭发动机试车后内壁面残留煤油清除过程的数值模拟方法的流程图。
[0032]图2为本专利技术实施例中液体火箭发动机试车后内壁面残留煤油清除过程的实验设备图。
[0033]图3为本专利技术实施例中进行内壁面残留煤油清除过程的火箭发动机整流器部分内壁腔体模型图。
[0034]图4为本专利技术实施例中进行内壁面残留煤油清除过程的火箭发动机整流器部分腔体网格图。
具体实施方式
[0035]下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。
[0036]本专利技术公开了一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除模拟方法，参照图1，包括以下步骤：
[0037]S1，建立待清除发动机内壁腔体的三维模型，并进行煤油清除过程的数值模拟，获得不同工况下发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，建立待清除发动机内壁腔体的三维模型，并进行煤油清除过程的数值模拟，获得不同工况下发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度的模拟值；制备待清除发动机内壁腔体的试验件，并在与数值模拟相同的工况下进行煤油清除试验，获得不同工况下发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度的实验值；S2，设定标准误差，并计算相同工况下发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度模拟值与发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度实验值之间的实验误差，之后比较实验误差与标准误差来获取模拟结果；当实验误差小于标准误差时，此时发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度模拟值是可靠的，发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度模拟值对应的清除过程的参数设置是有效的，发动机采用数值模拟时的煤油清除参数进行清除；当实验误差大于标准误差时，对数值模拟时的煤油清除参数进行重新设置，直至实验误差小于标准误差。2.根据权利要求1所述的基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除方法，其特征在于，在S1中，待清除发动机的数值模拟过程为：S11，采用Solidworks建立待清除发动机的三维模型，建模时腔体左端及右端设置有气体进口及气体出口，腔体中间设置有抽吸口；S12，利用网格划分软件ICEM划分三维模型的计算网格，计算网格为非结构网格；S13，设置进出口和壁面边界条件、清除过程的操作参数以及待清除煤油的材料参数，采用有体积法对划分计算网格后的三维模型进行数值模拟，获得发动机的三维模型腔体内壁煤油蒸汽浓度的模拟值。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴峰，景文铮，张莉娟，郭佳仪，田靓，狄贝贝，向民，高炎，高强，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：