论文部分内容阅读
不同外部环境漏热将使推进剂贮箱内部经历复杂的热物理过程，低温流体产生严重的热分层，箱体压力也会迅速升高，需采取有效的热防护措施以及控压手段来降低箱体漏热并实现有效降压。研究低温推进剂热分层、贮箱绝热防护以及箱体压力控制对低温运载系统的设计与优化具有重要意义。
详细考虑了层间气体从连续流到自由分子流的过渡，修正了传统多层绝热材料(MLI)预测模型，将计算范围拓宽到低真空以及高压工况。基于修正MLI传热模型，对低温液体火箭升空过程，贮箱表面发泡+MLI复合绝热层进行了非稳态传热分析。研究了在环境温度为55~700K、压力为1.0×105~1.0×10-6Pa的条件下，复合绝热层内部传热过程以及热阻分布。结果表明：升空阶段MLI层间残余气体导热最大比例为29.9%，脱离大气层后，残余气体导热可忽略。在轨阶段，当MLI层表面温度较高时，辐射占据主导；反之，固体导热为主要传热方式。
针对一柱状低温液氢贮箱，构建并完善了箱内流体热分层预测模型。着重考虑了5Ra?[0.1,1.0?10]粘性底流的影响，在保证流动以及热边界层发展完整性的同时，还考虑了气液界面的热质传输效应。与相关试验结果对比，所完善模型预测的热分层厚度以及热分层温度误差分别在6.0%与8.0%以内。基于所完善模型，发展了旋转工况下流体热分层模型，并对不同影响因素进行了计算分析。
对低温推进剂贮箱所经历的地面停放、点火升空、入轨、正式在轨这一连续阶段，构建了相应数值模型，详细考虑了气液界面的热质传递效应；同时以用户自定义程序(UDF)的方式详细考虑了整个阶段所经历的复杂外部热环境以及箱体控压模式变化，对不同阶段流体热分层进行了深入研究。在预测了地面开口停放贮箱在外部自然对流换热下的流体核态沸腾过程之后，分别以前一个控压模式结束时箱内热物理场作为下一控压方式的计算初始物理场，数值研究了自然对流下贮箱地面闭口预增压过程、升空气动热下贮箱主动增压过程以及入轨阶段空间辐射热下贮箱注气排液过程；最后考虑了空间辐射热的影响，研究了在轨运行期间贮箱内部气液相分布以及流体热物理场变化，实现了不同外部漏热、不同控压方式的连续切换以及流体热分层的有效预测。
针对热力学排气系统(TVS)工作过程，构建了相关热力学模型，优化分析了主要运行参数。通过与相关试验结果对比，筛选出可预测TVS管内两相流动沸腾换热的关联式。构建了TVS同心套管换热器管外自然对流、环管两相流动沸腾以及内管强制对流换热的非稳态耦合传热计算模型，考虑了流体物性的变化，迭代求解了两相流沸腾换热系数以及内管壁面温度，采用逐步推进的准稳态传热方式对套管换热器进行了传热性能预测。所得优化参数以及结论为TVS实验系统设计提供了有效参考。
采用HCFC123为实验介质，搭建了完善的TVS地面实验平台，验证了地面工况TVS的控压性能以及消除外部漏热的能力，丰富了国内有关TVS的实验研究。测试结果表明：当循环流量为95L·h-1、节流比为16.8~18.9%时，TVS最大制冷能力为1415W；箱内流体热分层发展良好，混合阶段前期，热分层发展速率为0.0937m·h-1，之后热分层发展速率逐渐变小，后期为0.0468m·h-1，热分层完全发展大约耗时6.0h。通过与直接排气控压对比，在4.75h的工作时间内，TVS节省了23.22%的排气损失。
本文所开展的低温贮箱绝热性能分析、低温流体热分层研究以及不同阶段推进剂贮箱热物理过程预测可用于指导低温推进系统的设计与优化；热力学排气系统传热性能分析与地面实验研究可为我国开展低温流体热力学排气实验提供有效的理论支撑与技术参考。
详细考虑了层间气体从连续流到自由分子流的过渡，修正了传统多层绝热材料(MLI)预测模型，将计算范围拓宽到低真空以及高压工况。基于修正MLI传热模型，对低温液体火箭升空过程，贮箱表面发泡+MLI复合绝热层进行了非稳态传热分析。研究了在环境温度为55~700K、压力为1.0×105~1.0×10-6Pa的条件下，复合绝热层内部传热过程以及热阻分布。结果表明：升空阶段MLI层间残余气体导热最大比例为29.9%，脱离大气层后，残余气体导热可忽略。在轨阶段，当MLI层表面温度较高时，辐射占据主导；反之，固体导热为主要传热方式。
针对一柱状低温液氢贮箱，构建并完善了箱内流体热分层预测模型。着重考虑了5Ra?[0.1,1.0?10]粘性底流的影响，在保证流动以及热边界层发展完整性的同时，还考虑了气液界面的热质传输效应。与相关试验结果对比，所完善模型预测的热分层厚度以及热分层温度误差分别在6.0%与8.0%以内。基于所完善模型，发展了旋转工况下流体热分层模型，并对不同影响因素进行了计算分析。
对低温推进剂贮箱所经历的地面停放、点火升空、入轨、正式在轨这一连续阶段，构建了相应数值模型，详细考虑了气液界面的热质传递效应；同时以用户自定义程序(UDF)的方式详细考虑了整个阶段所经历的复杂外部热环境以及箱体控压模式变化，对不同阶段流体热分层进行了深入研究。在预测了地面开口停放贮箱在外部自然对流换热下的流体核态沸腾过程之后，分别以前一个控压模式结束时箱内热物理场作为下一控压方式的计算初始物理场，数值研究了自然对流下贮箱地面闭口预增压过程、升空气动热下贮箱主动增压过程以及入轨阶段空间辐射热下贮箱注气排液过程；最后考虑了空间辐射热的影响，研究了在轨运行期间贮箱内部气液相分布以及流体热物理场变化，实现了不同外部漏热、不同控压方式的连续切换以及流体热分层的有效预测。
针对热力学排气系统(TVS)工作过程，构建了相关热力学模型，优化分析了主要运行参数。通过与相关试验结果对比，筛选出可预测TVS管内两相流动沸腾换热的关联式。构建了TVS同心套管换热器管外自然对流、环管两相流动沸腾以及内管强制对流换热的非稳态耦合传热计算模型，考虑了流体物性的变化，迭代求解了两相流沸腾换热系数以及内管壁面温度，采用逐步推进的准稳态传热方式对套管换热器进行了传热性能预测。所得优化参数以及结论为TVS实验系统设计提供了有效参考。
采用HCFC123为实验介质，搭建了完善的TVS地面实验平台，验证了地面工况TVS的控压性能以及消除外部漏热的能力，丰富了国内有关TVS的实验研究。测试结果表明：当循环流量为95L·h-1、节流比为16.8~18.9%时，TVS最大制冷能力为1415W；箱内流体热分层发展良好，混合阶段前期，热分层发展速率为0.0937m·h-1，之后热分层发展速率逐渐变小，后期为0.0468m·h-1，热分层完全发展大约耗时6.0h。通过与直接排气控压对比，在4.75h的工作时间内，TVS节省了23.22%的排气损失。
本文所开展的低温贮箱绝热性能分析、低温流体热分层研究以及不同阶段推进剂贮箱热物理过程预测可用于指导低温推进系统的设计与优化；热力学排气系统传热性能分析与地面实验研究可为我国开展低温流体热力学排气实验提供有效的理论支撑与技术参考。