基于不同相变模型的微重力液氢贮箱内压力与温度分布仿真预示

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1、第２３卷第３期载人航天Ｖｏｌ．２３Ｎｏ．３２０１７年６月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＪｕｎ．２０１７基于不同相变模型的微重力液氢贮箱内压力与温度分布仿真预示１２１１１王夕，王珏，容易，黄辉，罗庶（１．北京宇航系统工程研究所，北京１０００７６；２．中国运载火箭技术研究院，北京１０００７６）摘要：受空间热流的作用，相变是低温推进剂在轨压力控制中需要被考虑到的影响因素。为研究液氢贮箱内的流体行为特性，建立了低温流体ＣＦＤ仿真模型，对于相变过程，基于不同的相变传质理论，建立了四种相变仿真模型。根据ＮＡＳＡ开展的ＡＳ⁃２０３液氢贮箱压力上升试验数据，对封闭贮箱内压力上升和温度分布开展仿真预示，

2、分析了不同相变仿真模型对压力上升和温度分布预示的结果。结果表明，相变模型１和相变模型３得到的压力上升速率和温度场结果与试验结果趋势较为一致。受到算法和适用性的影响，相变模型２和相变模型４对ＡＳ⁃２０３液氢贮箱的温度预示偏差较大，相变模型４对压力上升的预示偏差较大。关键词：相变；低温；微重力；液氢贮箱；压力；温度中图分类号：Ｖ５７文献标识码：Ａ文章编号：１６７４⁃５８２５（２０１７）０３⁃０３４８⁃０５ＰｒｅｓｓｕｒｅａｎｄＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉoｎＳｉｍｕlａｔｉoｎｉｎＬｉｑｕｉｄＨｙｄｒoｇｅｎＴａｎｋｉｎＭｉｃｒoｇｒａｖｉｔｙＢａｓｅｄoｎＤｉｆｆｅｒｅｎｔＰｈ

3、ａｓｅＣｈａｎｇｅＭoｄｅlｓ１２１１１ＷＡＮＧＸｉ，ＷＡＮＧＪｕｅ，ＲＯＮＧＹｉ，ＨＵＡＮＧＨｕｉ，ＬＵＯＳｈｕ（１．ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＬａｕｎｃｈＶｅｈｉｃｌｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｉｎｃｒｙｏｇｅｎｉｃｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｎ⁃ｏｒｂｉｔｄｕｅｔｏｔｈｅｈｅａｔｆｌｕｘｆｒｏｍｓｐ

4、ａｃｅ．ＡｃｒｙｏｇｅｎｉｃｆｌｕｉｄＣＦＤｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｆｌｕｉｄｂｅｈａｖｉｏｒｉｎｔｈｅｌｉｑｕｉｄｈｙｄｒｏｇｅｎｔａｎｋ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｆｏｕｒｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｓｉｍ⁃ｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅａｌｓｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｔｈｅｏｒｉｅｓ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＮＡＳＡＡＳ⁃２０３ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｆｏｒｔｈｅｓｅｌｆ⁃ｐｒｅ

5、ｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒ⁃ａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎａｃｌｏｓｅｄｔａｎｋａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｆｏｒｍｏｄｅｌ１ａｎｄｍｏｄｅｌ３，ｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｓｅｌｆ⁃ｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｓａｎｄｕｌｌａｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｔｄｉｓｃｒｅｔｅｌｏｃａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｍｏｄ⁃ｅｌ２ａｎｄｍｏｄｅｌ４ｕｎｄｅｒｅｓｔｉｍａ

6、ｔｅｄｔｈｅｕｌｌａｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄｍｏｄｅｌ４ｕｎｄｅｒｅｓｔｉｍａｔｅｄｔｈｅｓｅｌｆ⁃ｐｒｅｓ⁃ｓｕｒｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｄｕｅｔｏｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｒｅａｓｏｎｓ．Ｋｅｙｗoｒｄｓ：ｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅ；ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ；ｍｉｃｒｏｇｒａｖｉｔｙ；ｌｉｑｕｉｄｈｙｄｒｏｇｅｎ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ箱缩比在轨试验，如Ａｅｒｏｂｅｅ探空火箭液氢蒸发１引言［１］［２］试验、贮箱压力控制试验（ＴＰＣＥ）等，而真实对微重力下低温推进剂流体行为特性开展研大尺寸的贮箱在轨试验十分有限。ＡＳ⁃２０３飞［３］究，解决低温

7、推进剂在轨贮存问题，是发展低温上行以Ｓ⁃ＩＶＢ为基础进行了液氢封闭贮箱压力上面级或轨道转移运载器、满足长时间在轨空间任升试验，得到了真实尺寸贮箱压力和温度数据，为务的关键。美国自２０世纪６０年代以来，对低温微重力下液氢贮箱的流体仿真提供了试验支撑。推进剂在轨贮存问题开展研究，进行了多次小贮鉴于低温和微重力试验的成本和难度，ＣＦＤ收稿日期：２０１６⁃０７⁃０４；修回日期：２０１７⁃０４⁃１８第一作者：王夕，男，博士研究生，