[发明专利]用于液态甲烷自生增压输送系统的仿真方法

说明书

本申请提供了一种用于液态甲烷自生增压输送系统的仿真方法，其包括以下步骤：利用前处理软件ICEM建立甲烷贮箱模型并进行网格划分，得到甲烷贮箱模型的msh网格文件；利用fluent软件对甲烷贮箱模型的msh网格文件进行自生增压输送系统仿真，以获得气枕温度、气枕压力和贮箱内流场。本申请采用CFD方法，考虑流体与热、表面张力、过载、相变的耦合，得出较为精确地仿真数据，能够为研发以甲烷作为新型推进剂的液体火箭提供必要的数据支持。

技术领域

本申请属于数值仿真技术领域，具体涉及一种用于液态甲烷自生增压输送系统的仿真方法。

背景技术

增压系统用于提供液体火箭推进剂贮箱的气枕压力，在贮箱结构的强度和刚度条件下，满足发动机起动及飞行过程中所需的推进剂入口正常的工作压力、火箭推进剂贮箱薄壁结构承载所需要的内压要求。增压系统的主要工作过程为：增压气体进入推进剂贮箱，膨胀后占据推进剂排出后的空间，对液体推进剂产生工作压力。评价一种增压系统需要考虑其增压能力、工作可靠性、重量、成本、技术复杂性和技术继承性。常用的增压方式一般包括三种：燃气增压、高压气瓶增压和自生增压。

燃气增压是利用发动机燃烧产物作为增压介质的增压方式。燃气增压系统简单，成本较低，适应性较差。中国现役的长征系列运载火箭一、二级和助推器燃料贮箱均采用燃气发生器引出的燃气降温进行增压。

高压气瓶增压是将高压气体充进贮箱内从而挤压推进剂进行增压，高压气体通常采用密度较小的氦气。高压气瓶增压系统适用性广，系统设计灵活，系统组成相对复杂，成本较高。仅在阿里安5火箭的液氧贮箱采用超临界氦增压，长征三号甲系列运载火箭低温三子级液氧贮箱采用冷氦加温后的增压方案。

自生增压是利用火箭的推进剂组元，通过发动机蒸发、气化后对贮箱进行增压。通常在发动机泵后高压区引出一个分支，通过蒸发器将推进剂进行气化，并将温度调节到要求值，再引入贮箱进行增压。自生增压系统简单，成本较低。对于沸点较低、容易蒸发的推进剂，可以选择自生增压。中国现役的长征系列运载火箭一、二级和助推器氧化剂贮箱均采用自生增压。

国内自生增压系统主要运用液氧和液氢。而甲烷作为一种新型的液体燃料，虽然已经被国际上的商业航天公司证实具有自生增压的能力，但是目前还没有相关的甲烷自生增压技术。因此，为了研发一种以甲烷作为新型推进剂的液体火箭，有必要研发一种适用于甲烷的自生增压数值仿真方法。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种用于液态甲烷自生增压输送系统的仿真方法。

根据本申请实施例，本申请提供了一种用于液态甲烷自生增压输送系统的仿真方法，其包括以下步骤：

利用前处理软件ICEM建立甲烷贮箱模型并进行网格划分，得到甲烷贮箱模型的msh网格文件；

利用fluent软件对甲烷贮箱模型的msh网格文件进行自生增压输送系统仿真，以获得气枕温度、气枕压力和贮箱内流场。

上述用于液态甲烷自生增压输送系统的仿真方法中，还包括对甲烷贮箱进行简化的步骤，甲烷贮箱简化后的结构包括两内外壁面均光滑的半椭球体和内外壁面均光滑的圆柱体；一所述半椭球体设置在所述圆柱体的一端，另一所述半椭球体设置在所述圆柱体的另一端。

上述用于液态甲烷自生增压输送系统的仿真方法中，所述利用fluent软件对甲烷贮箱模型进行自生增压输送系统仿真的过程为：

获取甲烷贮箱模型的msh网格文件；

根据甲烷贮箱模型的尺寸设定网格单位；

选取模拟甲烷贮箱自生增压的模型；

构建模拟甲烷贮箱自生增压的模型中的自定义函数，所述自定义函数用于计算模拟甲烷贮箱自生增压的模型中的质量流量；