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。     

地面停放低温液氧贮箱热物理过程研究

针对低温推进剂箱体射前停放阶段,采用CFD技术数值研究了某低温液氧贮箱在地面停放阶段所经历的开口放置及高温气氧预增压过程。详细分析了该过程中箱体的压力变化、气液相变以及热分层现象。通过与相关试验结果对比,验证了本数值模型的有效性。计算结果表明:在液氧箱体开口停放阶段,在外部漏热下,箱体内部将出现剧烈的沸腾相变现象,并伴随着大量气泡的产生。随着时间的增加,用于低温流体相变的热量主要来自于外部漏热,此时相变过程主要发生在气液界面。在约150s时,相变强度逐渐趋于稳定。经过250s的地面开口停放,蒸发气体排放量约6.88kg。当低温箱体封闭,预增压过程开始,箱体压力将在所设定的压力上下限内波动变化。由于气相过热、液相过冷,在整个过程中气相都处于冷凝状态。随着高温气体的注入,气相质量呈现波动变化,由15.84kg增加到27.27kg。液相质量则近似线性增加,由最初的12 243.10kg增加到12 303.95kg。气液界面以下的液相呈现出较好的温度分层,气相温度分布则受增压气体影响较大,产生了一定的扰动。     

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。     

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。     

不同增压方式对火箭燃料贮箱冷氦增压效果的影响

针对液氧/煤油火箭燃料贮箱采用的冷氦增压方案,搭建试验系统并进行地面模拟试验.探究不同增压方式,包括增压位置、扩散器形式和增压气体流量对增压排液过程的控压稳定性、贮箱气枕区温度分布、氦气消耗率、气液混合以及液体结冰状态的影响.结果表明:与气枕区增压相比,气体在液体区增压时换热充分,同等条件下气体消耗率降低33.1％,但...     

微重力下绕汽柱热毛细对流的渐近分析

用渐近线方法求得了微重力条件下绕汽柱稳态热毛细对流的近似解析解,得到了液体区域的温度场,速度场及界面形状的表达式。通过数值模拟、得到了有关无量纲参数对热毛细对流的影响规律。     

镍钛形状记忆合金线坯连续定向凝固温度场的数值模拟

连续定向凝固过程中结晶器的温度分布对固-液界面位置和形状具有重要影响.在建立三维物理模型以及确定材料热物性参数、边界条件与冷却水对流换热系数计算方法的基础上,采用ANSYS有限元软件对不同参数组合条件下镍钛形状记忆合金线坯连续定向凝固的稳态温度场进行了数值模拟.研究结果表明,在所给定的模型及各种参数条件下,镍钛形状记忆合金在结晶器内可以完成凝固过程,且固-液界面呈平直状,具备了进行连续定向凝固制备的基本条件.     

等离子弧焊接熔池温度场的三维数值模拟

建立了运动等离子弧作用下焊接温度场的三维瞬态数值分析模型，以分析等离子弧焊熔池温度分布情况以及焊接电流、焊接速度等焊接工艺参数对其影响情况．综合考虑了液态金属的对流传热和熔池外部的固体导热、材料热物理性能参数随温度的变化、焊件表面的散热以及熔化／凝固相变潜热等对熔池温度场的影响．采用三维锥体热源对小孔型等离子弧焊接过程进行了流体动力学和传热分析，利用ANSYS有限元软件求解所建立的模型，得到了等离子弧焊接过程中温度场的变化情况．模拟结果表明，随焊接电流的增大和焊接速度的减小，熔池体积增加，熔宽和热影响区都增大．试验结果验证了所建立模型的正确性和数值求解方法的可靠性．     

微重力下单晶硅生长中热毛细对流的控制研究

在微重力条件下用浮区结晶法生长半导体单晶硅独具优势，但自由界面的温度梯度所诱发的热毛细对流对晶体质量的影响却更为突出。文中提出一种抑制热毛细对流的新方法-表面截割法，即通过适当改变自由表面的状况业抑制热毛细对流；在建立了半浮区（液桥）热毛细对流的数学模型的基础上，利用有限元法对不同截割方式下的流场、温度场做了数值模拟分析。结果表明，表面截割对浮区内的热毛细对流有很好的抑制作用，适当增加截割次数，可使热毛细对流削弱70%以上。     

新型运载火箭射前预冷液氧贮箱热分层的数值研究

针对新型运载火箭液氧贮箱的热分层现象,采用计算流体力学(CFD)技术对液氧贮箱内部的物理场进行数值模拟,揭示了贮箱内部温度场及速度场的分布规律,并分析了液氧热分层的形成过程及原因.研究表明:回流口截面以上区域的传热以对流方式为主,底部区域则主要是逐层导热;贮箱内部主体区域形成轴向温度分层,底部区域产生径向温度分层,最低温度区域偏移至底部封头右侧;气枕区形成逆时针速度旋涡,液相主体区产生顺时针速度旋涡,贮箱底部由于流场影响产生逆时针速度旋涡.