冷氦换热器数值建模及性能仿真研究.pdf

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1、2014年第1期低温工程NO．12014总第197期CRY0GENICSSumNO．197冷氦换热器数值建模及性能仿真研究王剑中王道连叶超宋笔锋(西北工业大学航空学院西安710072)(北京宇航系统工程研究所北京100076)摘要：采用基于集总参数法的AMESim仿真软件对某型号运载火箭冷氦换热器进行建模，模型考虑了管外的高温燃气凝结换热、管内的强制对流换热及换热管沿轴向、径向的导热。在此基础上，开展了冷氦换热器的单元无关性分析、换热器性能仿真及参数影响性分析。仿真模型有效性通过搭载发动机地面试车试验数据进行验证。计算结果表明：仿真模

2、型能较好地模拟冷氦换热器的性能，且随着冷氦进口温度升高，出口温度也基本线性递增；随着冷氦流量增大。出口温度逐渐降低，而工作压力对换热器性能影响较小。关键词：冷氦换热器凝结换热单元无关性中图分类号：TB657文献标识码：A文章编号：1000．6516(2014)Ol-0062-05NumericalmodelingandperformanceanalysisforcryogenicheliumheatexchangerWangJianzhong·WangDaolianYeChaoSongBifeng(SchoolofAeronautic

3、s，NorthwestPolytechnicUniversity，Xi’an710072，China)(BeijingInstituteofAstronauticalSystemsEngineering，Beijing100076，China)Abstract：Basedonlumpedparametersmethod，ananalyticmodelforcryogenicheliumheatexchangerwasdevelopedusingAMESim．Themodelincludedcondensationheattransfe

4、routside，forcedconvectionin—side，radialandaxialconduction．Nodesindependenceanalysis，simulationforperformanceoftheheatex—changerandparametersinfluenceanalysiswereconductedbasedonthemode1．Dataforgroundtestingwithrocketenginevalidatestheeffectivenessofthemode1．Numericalres

5、ultsshowthatthemodelcanbeappliedtosimulationforcryogenicheliumheatexchangersuccessfully．Outlettemperatureincreaseslinearlyasinlettemperatureraisesanddecreasesgraduallyasmassflowrateincreases．Workingpressurehasnoobviousim—pactonheattransfer．Keywords：cryogenicheliumheatex

6、changer；condensationheattransfer；nodesindependence中的气瓶内，利用高压低温下氦气密度大的特点，增1引言大相同压力、容积下的气瓶气量；发动机工作段冷冷氦增压是指将预冷后的冷氦气体充入液氢箱氦由阀门控制从气瓶流出，减压后流经冷氦换热器，收稿日期：2013—12-21；修订日期：2014．02—10作者简介：王剑中，男，40岁，博士研究生。第l期冷氦换热器数值建模及性能仿真研究63加温至一定温度给氧箱增压。国外应用冷氦增压技2．2冷氦换热管工作参数术的型号包括美国的土星V运载火箭，日本H一1

7、、H一2冷氦换热管外为高温燃气，主要成分为高温氢气火箭的上面级，前苏联的天顶号、能源号运载火箭以和水蒸气，燃气压力约0．5MPa，燃气温度约720K，及欧洲的阿里安火箭上面级。冷氦增压系统对减轻流量为0．494kg／s。额定工况下，冷氦流量为22．5增压系统重量，减少推进剂温升，减少常温气瓶用气g／s、工作压力1．1MPa、进口温度25K，冷氦出口温量，提高火箭的运载能力有显著好处⋯。作为冷氦度可被加热至85K。增压系统的重要组件，冷氦换热器性能对冷氦增压系3换热机理分析统的增压效果具有显著的影响。本研究通过构建冷氦换热器性能仿真的A

8、MES—冷氦换热管外壁面为高温燃气的强制对流换热，im模型，数值分析了现有结构型式的冷氦换热器在内壁面为冷氦的强制对流换热，内外壁面间为通过金不同工况下的加温效果，为某型号冷氦增压系统的优属壁的导热。化设计提供指导。3．