[发明专利]一种低温推进剂贮箱内喷雾掺混的仿真方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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。

发明内容

本发明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；