升空过程中低温液氧贮箱压力变化及热分层研究

针对火箭升空过程,通过编写用户自定义程序详细考虑了气动热以及空间辐射热的影响,数值研究了低温液氧箱体压力变化及流体热分层现象。在计算过程中,着重考虑了大气物性参数随高度的变化、飞行过程中加速度变化与气液界面相变对箱体压力以及箱内流体温度分布的影响。模拟结果表明:气动热对箱体控压频率产生了较大的影响。随着气动热流的增加,箱体增压时间变短,降压时间变长。在飞行120s时,气动热流达到最大,其对箱体压增性能的影响也最为突出,此时箱体增压时间最短为4s,箱体降压时间最长,约13s。在无排液阶段,箱体压力呈现波动变化,气液界面处气枕被冷凝。在该过程中,液相质量增加了11.05kg,气相质量减少了1.52kg。在增压排液阶段,尽管增压气体持续注入箱内,箱体压力仍逐渐减小,而气相质量则呈波动增加。随着时间的延长,气液相温度均向温度升高的方向推进。由于空间辐射漏热造成了排液温度的升高,给发动机运行带来安全隐患,应采取有效绝热措施来减少空间漏热。     

氦气对低温液氧箱体分层压增的影响

为研究气枕中氦气对低温液氧分层及压增的影响,以柱状液氧箱体为例,通过改变气枕中氦气以及氧气含量来改变箱体初始压力,分别计算了初始箱体压力相同以及初始箱体压力不同两种工况下液氧分层压增参数的变化。结果表明:氦气的存在增强了气枕与箱体壁面以及气液界面的对流换热,促进了界面的蒸发相变,并带来了质扩散传递。当箱体初始压力不变时,箱体压增以及气液界面相变量随着氦气含量的增加而增加。在初始氦含量由0.0kg增加到0.563kg的过程中,箱体压增增加了20.91%,气液界面总相变量增加到初值的7.87倍。当箱体初始氧含量保持不变时,箱体压增随着氦气含量的增加而减小,而界面总相变量则呈现相反的变化趋势。在初始氦含量由0.0kg增加到0.2kg的过程中,箱体压增下降了28.66%,但气液总相变量却增加到初值的4.3倍。     

在轨运行低温液氢箱体蒸发量计算与增压过程研究

为了研究低温箱体在外部漏热下的在轨增压过程,采用FLUENT软件中的流体体积(VOF)方法,对AS-203飞行试验中低温液氢箱体进行数值模拟。通过对默认可实现k-ε模型进行参数调整,并与试验结果对比发现,调整参数后的模型可较好地预测低温液氢箱体在轨增压过程。因此,采用该模型对所研究低温液氢箱体进行500s增压数值模拟,计算结果表明:与气枕接触的壁面漏热绝大部分用来使箱体增压,小部分用来产生相变;在外部漏热下低温箱体压增速率约49.6Pa/s,箱体气液界面的蒸发率约为0.101 6%/h;在一定的微重力水平下,自然对流作用依然存在,其对流强弱主要取决于箱体尺寸以及外部漏热热流大小;在整个模拟过程中,气枕区热分层较之液相区更为严重;随着重力水平的降低,表面张力的作用逐渐凸显,界面形状变为曲面。     

地面热力学排气系统实验研究

为深入研究热力学排气的控压性能以及消除外部漏热的能力,通过搭建地面热力学排气测试平台,采用R123为实验工质,在外部漏热为800 W、初始液位为0.595m的条件下,开展了箱体增压、混合喷射降压以及节流制冷3种不同工作模式下的实验研究,分析了不同阶段箱体压力以及箱内流体温度变化。结果表明:在漏热增压阶段,箱体压增速率为60.583kPa/h;在混合降压阶段,增大循环流量对降低气相温度是有益的;在循环流量为150L/h、节流比为11.73%~13.33%的工况下,热力学排气系统工作8次,共排气20.536kg,最大制冷量为1 362 W;与直接排气方式相比,工作运行2h,热力学排气可节省41%的排气损失。该结果可为进一步开展低温实验提供技术参考与借鉴。     

Lennard-Jones流体汽液界面的分子动力学研究

为深入认识汽液界面现象 ,解释汽液界面的独特性质 ,采用分子动力学模拟方法从分子水平上研究了 L ennard-Jones流体汽液界面。模拟结果表明 ,汽液界面实际上是一个随时间涨落的起伏不平的曲面 ;汽液过渡区就是该曲面的涨落区域 ;汽液相变是一个突变的过程 ;汽液界面体系内密度、压力张量及温度等热力学量连续变化只是统计的结果。并在此认识基础上 ,从汽液分子相互转化的微观行为解释了汽液界面的温度分布中的尖峰和低谷出现的原因。在分子的汽液相变过程中 ,从液相向气相的转化发生在汽液界面的波峰处的几率最大 ,而从气相向液相的转化发生在汽液界面的波谷处的几率最大     

Ω型管的气液两相流动调整作用数值模拟研究

为了开发基于流动调整机制的严重段塞流抑制方法,提出了一种新型流动调整装置——Ω型管,应用数值模拟方法对Ω型管内气液分层流的流动特性进行了研究,探讨了Ω型管的基本单元个数(N)、基本单元之间的距离(d/D)、主弯管弯曲半径与管径的比值(r/D)、入口气液相流速(气相和液相折算速度,U_(SG)和U_(SL))等结构参数和流动条件对Ω型管气液两相流动调整作用的影响规律。研究结果表明:①Ω型管能够实现"液相对气相阻塞"和"气相对液相携带"两个物理过程,从而将分层流转变为间歇流型;②增加N和提高r/D均可增加上述物理过程的循环周期,N的增加为更多气相先于液相通过主弯管(气相被阻塞阶段)提供了条件r/D的提高有利于增加主弯管上游的液相累积量,使气相能够携带更多的液相通过主弯管(液相被携带阶段),使得Ω型管下游液相含率波动性增强、气液两相流动特性间歇性增强,从而增强Ω型管对分层流的流动调整作用;d/D的增加影响作用不显著;③U_(SG)不变、U_(SL)增加有利于增加主弯管上游的液相累积量,为气相携带更多的液相提供了条件;增加P导致U_(SG)降低,会减弱气相携带液相的能力;增加U_(SG)同时减小U_(SL)虽然可提高气相携带液相的能力;但液相供给的减少会降低液相的累积量,导致因气相携带而进入主弯管的液相减小,从而减弱Ω型管的流动调整作用。以上研究结果为优化设计Ω型管、探索其气液两相流动调整机理和应用于集输管线-立管系统提供了基础。     

气液两相分层流动相界面迁移的数值模拟

采用高精度差分格式求解原始变量不可压缩Navier-Stokes方程和Level-Set方程,对二维的两壁面间的气液两相分层流动进行数值模拟,分析气、液雷诺数对界面的迁移、演化过程的影响.结果表明:随着流体沿流向流动,界面扰动波幅值和扰动波及的范围逐渐变大,左右两侧界面非对称地发展,界面呈现出了钉子结构和泡状结构;气相与液相雷诺数对界面迁移变化的影响规律相同,只是在管中流动产生的界面形状有差异,液相雷诺数的增加使得界面波动更加剧烈.     

氮气在缩放喷管中非平衡自发凝结的数值研究

针对氮气在收缩型喷管中自发凝结的两相流动,采用经典成核理论来计算气液两相间的质量传递,选用Standard Redlich Kwong气体状态方程,忽略了气液相之间的速度滑移,利用商业软件CFX中的非平衡凝结模型进行了二维数值模拟。通过对成核率的量级、压力和带液量变化趋势及开始凝结的位置等模拟结果的分析,验证了模型和数值计算的有效性。进一步的数值模拟结果表明:相比于无凝结的绝热膨胀过程,相变释放潜热及气液之间的导热会加热气体,使得气流压力升高、马赫数降低。平衡凝结模型及非平衡凝结模型的对比显示,非平衡数值模型能够更好地揭示低温下氮气自发凝结的两相膨胀过程。     

CPL蒸发器多孔芯温压变化的数值模拟

应用二维气液两相分层饱和多孔介质模型,对蒸发器多孔芯内的传热传质过程进行了非稳态数值模拟．根据多孔芯内气液相界面移动时,内部温度场和压力场分布的计算特性,分析了系统启动和变工况运行过程中多孔芯温度和压力的变化机制。     

泵出型螺旋槽机械密封端面间隙气液两相流动数值分析

针对泵出型螺旋槽气膜密封由于阻塞气压力降低,被密封液相介质进入密封间隙的情况,以密封端面间隙流体膜为研究对象,利用Fluent软件VOF模型模拟阻塞气压力恢复到正常值时端面间隙的流动状况。此时流体膜处于气液两相非稳定流动状态,研究密封端面间气液两相介质分布、压力分布及密封性能随时间的变化规律。结果表明:在假设条件下,内径处阻塞气压力恢复到正常值,流体膜能够恢复成纯气相流体膜;液相介质能增强流体动压效应,增大气相介质流动阻力,降低泵送量;气液两相掺混,改变了气液两相分布、压力分布、泵送量等密封性能,增大了流体膜恢复成纯气相的难度,且在液相介质进入螺旋槽状况下,流动过程中少量液相介质在内径处发生泄漏。