液氢贮箱微重力喷射降压特性数值模拟研究

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液氢贮箱热力学排气系统建模及控压特性

Modelin g and p ressure control characteristics of thermodynamic ventin g system in li q uid h ydrogen storage tank
, WANG Bin 1 2 ,WANG Tianxiang 1 , HUANG Yonghua2 ,WU Jingy i 2 ,LEI Gang 1
Abstract : To stud y the p ressure control of cr y o g enic p ro p ellant container ,an anal y tical lum p ed p arameter
with a hea2.Calculation results are com p ared with literature to verif y the
��
2
1 2 ( 航天低温推进剂技术国家重点实验室 , 北京 1 000 2 8 ; 上海交通大学制冷与低温工程研究所 , 上海 2 00 2 40 )
摘要 : 以低温推进剂液氢贮箱压力控制为目标 , 建立了热力学排气系统 ( TVS ) 和贮箱内流体流动及气液相变过程的数学模型㊂以 1 8 .0 9 m 3 液氢贮箱在地面工况充注率 7 5 % ㊁漏热量 0 .7 6 W㊃ m - 2 为例 , 计算了贮箱自增压过程及开启 TVS 后对贮箱压力控制的效果㊂结果表明 , 气枕升压速率远大于液体温度对应的饱和压力的升压速率 ; TVS 运行后可将贮箱压力有效地控制在 1 6 5 .5 ~ 1 7 2 .4 kPa 范围内㊂对比了混合与排气两种不同运行模式下贮箱气枕的升降压特性 , 发现排气模式下的气枕降压速率为混合模式的 7 倍 , 升压速率为混合模式的 9 5 % ㊂同时还分析了贮箱内液体的温度变化规律㊂中图分类号 : V 5 1 1 .6 关键词 : 液氢贮箱 ; 热力学排气系统 ; 压力控制 ; 仿真分析文献标志码 : A

微重力环境下部分充液贮箱内液体晃动特性分析

微重力环境下部分充液贮箱内液体晃动特性分析林柯成;宋晓娟;吕书锋【摘要】针对微重力环境下充液航天器液体燃料晃动的动态特性为研究对象,采用液体晃动等效力学模型对充液航天器贮箱内的晃动液体进行等效,推导出微重力环境下贮箱内液体的边界条件,得出贮箱所受力和力矩的计算公式,并计算出了力和力矩的大小.应用有限元数值仿真法计算出贮箱内液体晃动的力和力矩,通过与解析法得到的结果进行比对,验证了数值模拟算法的可靠性.【期刊名称】《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)006【总页数】7页(P424-430)【关键词】液体晃动;等效模型;有限单元法;晃动力;晃动力矩【作者】林柯成;宋晓娟;吕书锋【作者单位】内蒙古工业大学机械工程学院,内蒙古呼和浩特 010051;内蒙古工业大学机械工程学院,内蒙古呼和浩特 010051;内蒙古工业大学理学院,内蒙古呼和浩特 010051【正文语种】中文【中图分类】U297.91充液航天器在执行航天任务的过程中需携带大量液体燃料推进剂.航天器在由发射轨道进入预定轨道的过程中,由于受到火箭动力、天体引力和大气阻力的影响,液体燃料会不可避免地发生晃动.微重力作用下液体晃动特性比常重力下更为复杂.航天器在执行航天任务的过程中,贮箱内的液体推进剂会不断被消耗为航天器提供持续动力.贮箱内的充液比会逐渐降低,液体的晃动特性也会跟着改变.近年来,大量学者对液体晃动的研究取得了很多新进展.文献[1]通过拉格朗日方程得到航天器刚体部分运动和液体燃料晃动的耦合动力学方程,提出了复合控制器,并通过数值模拟来验证控制器的精度和效率.控制器分别用于控制单燃料腔和四燃料腔航天器的轨道机动和姿态机动.文献[2]提出了一种新型网格移动算法,使用任意拉格朗日-欧拉有限元方法对球形贮箱中的三维液体大幅晃动进行数值模拟.模拟结果与实验数据吻合度很高.文献[3]针对四储箱充液航天器进行姿态机动控制研究.结果表明四储箱的三种空间布局对航天器姿态机动过程中的角速度、液体晃动力矩和控制力矩有不同影响.文献[4]建立了一种新的等效模型,首次提出液体的静平衡表面垂直于等效重力方向的假设,将液体的大幅运动分解为跟随等效重力的整体运动和在此基础上的小幅晃动.文献[5]借助有限元软件求解容器内三维液体晃动的固有频率和模态,对圆柱形容器内液体晃动的相关结果进行了总结,得出了该类型容器内液体晃动的一般规律.文献[6]创建了飞机机身油箱的有限元模型,壁板采用四节点四边形壳单元,箱内的液体域采用八节点六面体单元,单元算法采用多物质ALE方法,分析了液体最大晃动幅度和挡板长高比之间的关系.文献[7]用MSC-PATRAN创建了圆柱形贮箱的有限元模型,研究了贮箱半径和充液比对液体固有频率的影响.文献[8]改进了ALE有限元网格更新方法,使流-固耦合的分析结果更接近理论值.文献[9]将圆柱形贮箱内的液体晃动等效为弹簧-阻尼模型,通过有限元分析得到弹簧刚度系数和阻尼系数随充液部分高宽比的变化规律.圆柱形贮箱是形状最简单的贮箱,也是航天器上采用最多的贮箱.本文首先将圆柱形贮箱内的液体晃动等效为弹簧-质量模型,用弹簧和质量块的各参数表示液体对贮箱的作用力和力矩,之后选用ADINA和Fluent模拟该算例,验证数值模拟仿真的正确性和可靠性.为复杂贮箱及实际工程应用提供一定的理论基础.1 液体的边界条件假设圆柱形贮箱内的液体是理想液体,不可压缩,无黏度,无旋,则满足如下条件ρ=C(1)μ=0(2)▽·v=0(3)其中ρ为液体的密度,C表示常数,μ为液体的粘度,v为液体的速度.在自由晃动的条件下,液体的晃动速度可表示v=▽φ(4)其中φ为速度势,▽为Nabla算子,满足▽(5)液体的边界条件可表示为▽2φ=0(6)(7)定义波高函数z=η(x,y,t),则速度势和波高在自由液面上可有如下关系在z=η(x,y,t)(8)速度势函数和波高函数也可以写成下面的形式(9)(10)其中i、j分别为径向和周向的半波数,qij(t)是时间函数,φij(x,y,z)和Hij(x,y,z)是空间函数,其应满足如下方程▽2φij=0(11)(12)2 液体的晃动方程航天器在轨运行时,由于液体质量大,惯性大,因此在推进力的作用下,其晃动幅度通常不超过贮箱半径的15%,可视为小幅晃动,速度势满足方程(11)和(12).液体做小幅晃动时,根据文献[10],可将其等效为弹簧-质量模型,如图1所示.第n阶晃动质量距离贮箱底的高度可由式(13)计算.(13)图1 液体晃动等效弹簧-质量模型Fig.1 Spring-mass equivalent model of liquid-sloshing其中,hn为第n阶液体晃动质心距离贮箱底面的高度,h为充液高度,R为贮箱底面半径,λn是一阶Bessel函数导数的第n个根(见表1).表1 前6阶λn值Tab.1 Values of first 6λni123456λn1.8413.0543.8324.2015.3185.331将液体小幅晃动等效为弹簧-质量模型,等效原则为:(1)等效系统的总质量等于液体晃动的质量.(2)等效系统的各阶固有频率等于液体的各阶固有频率.(3)等效系统的力和力矩等于液体晃动受到的力和力矩.等效原则第(1)条用公式表示为(14)其中,m0为不晃动的液体质量,mn为第n阶液体晃动的质量,n为晃动阶数.等效原则第(2)条用公式表示为(15)其中,kn为第n阶液体晃动的弹簧刚度,ωn为液体晃动的第n阶固有频率,g为重力加速度.对于刚性圆柱形贮箱,当重力沿波高的方向时,各阶液体晃动的固有频率可由式(16)求得(16)各阶液体晃动质量可由式(17)求得(17)其中,ml为液体总质量.单个弹簧-质量系统的动力学方程为(18)其中,等号左面前二项为平动部分,后二项为转动部分.ηn为第n阶弹簧伸缩位移. 单个弹簧-质量系统对贮箱的反作用力为knxn,因此液体对贮箱的合作用力F可以表示如下:(19)其中,rn为第n阶晃动质量的回转半径,x0为不晃动液体的位移,xn为第n阶晃动液体的位移.将坐标原点定为贮箱底面圆心,在考虑转动的情况下,每个弹簧质子作用在原点的力矩Mn为(20)等效系统作用于贮箱上的合力矩为(21)若贮箱只做平动,则和转动相关的项均为0,动力学方程(18)可进一步简化为(22)合力方程(19)可简化为(23)力矩方程(21)可简化为(24)当液体做小幅晃动时,液体的质心位置可近似认为不变,因此有(25)当贮箱的速度为正弦函数时,其位移为余弦形函数,由式(22)可解得(26)(27)将式(26)、(27)带入式(23)、(24)中,求得等效系统作用于贮箱上的合力为(28)合力矩表达式为(29)3 仿真模拟用ADINA创建刚性圆柱形贮箱的有限元模型.贮箱内部底面半径为1m,高为4m.贮箱壁材料为铝合金,壁厚0.01m.液体推进剂为水,充液比为50%.贮箱所受重力加速度为0.1m/s2,方向沿z轴负方向.提取前6阶模态振型和固有频率.如图2所示为晃动液体燃料的前6阶振型.图2 液体晃动的前6阶振型Fig.2 First 6 vibration shapes of liquid-sloshing 将计算出来的各阶固有频率及晃动质量与式(16)、(17)求得的解析解相比较,比较结果如表2、表3所示.可见ADINA的仿真解与解析解吻合得较好,证明仿真法可靠.表2 各阶固有频率(单位:rad/s)Tab.2 Values of each level natural frequency (Unit: rad/s)第1阶第2阶第3阶第4阶第5阶第6阶仿真解0.4300.5540.6230.6520.7360.739解析解0.4290.5530.6190.6480.7260.730 表3 各阶晃动质量(单位:kg)Tab.3 Values of each level sloshing mass (Unit: kg)第1阶第2阶第3阶第4阶第5阶第6阶仿真解1423247119894342解析解1426247120904343提取液体晃动的其他参数,如波高、速度、应力等.用Fluent模拟液体的晃动,提取波高、速度、贮箱壁所受的力、力矩等变量.根据万有引力公式和黄金替换公式,求得g=0.1m/s时速度的平均值为2513m/s.假设贮箱受到的推进力F0为余弦力,有效值为106N,频率f为50Hz,则速度函数为v=0.63sin(100πt)+2513.本例利用有限单元法模拟5个完整的受力周期液面的晃动情况,将各变量绘制成曲线图,如图3～8所示.分析结果如下:(1)由图3、图4可知,左壁面液面高度先上升,右壁面液面高度先下降.这是因为贮箱运动方向向右,刚开始时液体由于惯性向左运动,液面向左倾斜.两侧壁液面高度变化周期和激振力周期相等.随着时间的推移,两侧壁液面高度均呈增大趋势,总体上是左侧壁大于右侧壁.而中轴线液面高度几乎不变.这是由于液体的浸润性,使得液面呈凹槽形.图3 贮箱两侧壁波高Fig.3 Wave heights on two side walls图4 贮箱中轴线波高Fig.4 Wave height on center line(2)液体晃动速度由图5所示,晃动速度总体上随着时间的推移而减小,最后趋于稳定.速度大致呈正弦形分布,周期和激振周期相当.正向速度大于负向速度,液体质心呈升高趋势.(3)图6、图7为液体对贮箱的作用力,在水平方向上比垂直方向上大2个数量级.这是因为贮箱所受的激振力沿水平方向.贮箱所受合力最大值为843727N.(4)图8为液体对贮箱的力矩,贮箱所受力矩的最大值为854650N·m.取前6阶液体晃动,将表2、表3中的解析解带入式(25)和式(26),可求得合力的最大值为855895N,力矩的最大值为816086N·m.与解析解相比,合力的误差为1.4%,力矩的误差为4.1%.仿真法的计算结果与解析解相比十分接近,误差小于5%,证明数值模拟方法的可靠性与正确性.图5 贮箱液体质心的垂直速度Fig.5 Velocity of liquid’s mass cente r图6 液体对贮箱的水平方向作用力Fig.6 Force on horizontal direction图7 液体对贮箱垂直方向作用力Fig.7 Force on vertical direction图8 液体作用在贮箱上相对于原点的力矩Fig.8 Torque on tank relative to origin point4 结论本文以在轨运行中携带部分充液圆柱形贮箱的充液航天器为研究对象,将晃动液体等效为弹簧-质量模型,推导了圆柱形贮箱内液体晃动的边界条件,以及液体对贮箱的力和力矩计算式.针对平动算例,用软件对解析公式进行了验证.数值模拟的结果与解析公式计算的结果吻合较好,验证数值仿真模拟的可靠性,为后续分析形状复杂的贮箱内的液体晃动特性提供了一定的参考价值.参考文献:【相关文献】[1] 岳宝增,于嘉瑞,吴文军.多液腔航天器刚液耦合动力学与复合控制[J].力学学报,2017,49(2):390～396.[2] 岳宝增,唐勇.球形贮箱中三维液体大幅晃动数值模拟[J].宇航学报,2016,37(12):1279～1284.[3] 邓明乐,岳宝增,黄华.液体大幅晃动类等效力学模型研究[J].宇航学报,2016,37(6):631～638.[4] 苗楠,李俊峰,王天舒.横向激励下液体大幅晃动建模分析[J].宇航学报,2016,37(3):268～274.[5] 贾善坡,许成祥.储液容器内液体自由晃动的有限元分析[J].船舶力学,2012,16(1～2):21～26.[6] 杨瑞.基于ALE有限元法的飞机整体油箱燃油晃动特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2016.[7] 赵剑波.有加速度时轴对称贮箱内液体晃动的数值模拟[D].大连:大连理工大学,2008.[8] 周宏.液体晃动数值模拟及刚一液耦合动力学研究[D].北京:清华大学,2008.[9] M.Farid,N.Levy,O.V.Gendelman.Vibration Mitigration in Partically Liquid-filled Vessel Using Passive Energy Absorbers[J].Journal of Sound and Vibration,2017,406:51～73. [10] H.Abramson.The Dynamic Behavior of Liquids in Moving Containers[M].Washington DC,USA: NASA,1966.106.。

微重力环境下蓄液器流体蓄留特性的试验研究

ｌｉｑｕｉｄａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｌｉｑｕｉｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｆｅｒａｇｕｉｄｅｌｉｎｅｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎＦｌｕｉｄ－ＳｔｏｒａｇｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆ
ＰｒｏｐｅｌｌａｎｔＲｅｉｌｆｌａｂｌｅＲｅｓｅｒｖｏｉｒｉｎＭｉｃｒｏｇｒａｖｉｔｙＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
ｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｇｒａｖｉｔｙｄｒｏｐｔｏｗｅｒｔｅｓｔｓａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
提供了一种新方法．
关键词；微重力；蓄液器；流体管理；落塔试验
中图分类号；Ｖ４３
文献标志码：Ａ

文章编号：１６７４－１５７９（２０１４）０１－００２７ — ０４
ＤＯＩ：１０，３９６９／ｊ，ｉｓｓｎ。１６７４ — １５７９．２０１４．０１．００５

微重力下低温贮箱内推进剂相变仿真模型研究

2018年第1期导弹与航天运载技术 No.1 2018 总第359期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.359收稿日期：2016-12-14；修回日期：2017-02-20作者简介：王夕（1989-），男，博士，工程师，主要研究方向为运载火箭总体设计文章编号：1004-7182(2018)01-0036-05 DOI ：10.7654/j.issn.1004-7182.20180107微重力下低温贮箱内推进剂相变仿真模型研究王夕1，王珏2，容易1，黄辉1（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：低温推进剂具有沸点低、易汽化的特点，相变是低温推进剂长时间在轨蒸发量控制问题中需要考虑的首要影响因素。

相变模型对低温推进剂蒸发仿真起到重要作用，构建合理的相变模型成为低温流体蒸发量仿真重要的研究方向。

基于4种相变理论，采用FLUENT 软件二次开发的方法，建立基于相平衡和非平衡理论的4种相变模型，开展微重力下液氢推进剂蒸发的数值模拟，并与国外探空火箭试验进行比较和验证。

研究结果表明：比较4种相变模型对贮箱内压力升高速率预示的准确性，得出了适用于微重力下低温推进剂仿真的相变模型。

关键词：低温推进剂；相变；微重力中图分类号：V511 文献标识码：AComputational Research on Phase Change Model forCryogenic Propellant in MicrogravityWang Xi 1, Wang Jue 2, Rong Yi 1, Huang Hui 1(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076;2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)Abstract: Boil off is a characteristic of cryogenic propellant, and the phenomenen of phase change is the major factor ofcryogenic propellant storage on orbit. As the phase change model plays a key role in cryogenic fluid Computational Fluid Dynamics(CFD) simulation, the usage of reasonable phase change model will be important. Based on four different phase change theory, the commercial software FLUENT are used and four different phase change models are presented by user defined secondary developing code. A CFD research on liquid hydrogen evaporation in microgravity is present, comparing with NASA sounding rocket experiment. Finally, a reasonable phase change model is commended by comparing the pressurizing rate of the four models, which can be used in cryogenic fluid management simulation.Key words: Cryogenic propellant; Phase change; Microgravity0 引言在液体运载火箭的推进剂中，低温推进剂具有比冲高、沸点低、难于贮存的特点，因此限制了其长时间的在轨使用。

卫星贮箱故障时液体燃料运动特性仿真分析_黄华

第20卷　第1期2011年1月航　天　器　工　程SPA CECRA F T ENG IN EERING V ol .20　N o .1　 95卫星贮箱故障时液体燃料运动特性仿真分析黄　华　曲广吉(中国空间技术研究院,北京　100094)摘　要　不少在轨卫星都使用半管理液体燃料贮箱,贮箱内的液体收集器上安装有表面筛网,可阻止贮箱内气体在发动机工作时通过收集器进入到液体燃料管路中。

文章假设卫星液体燃料贮箱的底部收集器出现故障,无法阻止气体进入发动机管路。

为确保卫星正常在轨运行,利用计算流体动力学数值仿真方法,对液体燃料贮箱在卫星姿态控制发动机工作时的运动规律进行了仿真和分析,可为卫星在发生预想故障后对姿态控制发动机工作模式的选择提供参考。

关键词　卫星贮箱;液体燃料;重定位;故障分析;计算流体动力学中图分类号:V423 文献标志码:A 文章编号:1673-8748(2011)01-0095-06Simulation and Analysis of Motion Characteristics of LiquidPropellant in Faulted S atellite TankH UANG H ua Q U Guangji(China Academy of Space Technolo gy ,Beijing 100094,China )Abstract :Mo st satellite propulsio n subsystem s em ploy propellant m anagement device (PM D )inonboard o xidizer and fuel tanks for g as -free liquid propellant delivery during all mission phases .A kind PMD co nsists of pipes and drain windo w s ,and the drain w indow s are covered w ith pe rfo ra -ted sheet ,w hich can pro vide capillary streng th and thus prevent g as fro m entering the pipe s and the engine .The failure o f the pe rfo rated sheet of one drain w indow on the bo ttom of the fuel tank is envisioned .In order to avoid the g as entering the engine and inducing accidents ,the m otio n rules of liquid pro pellant in fuel tank are simulated and analy zed by using the computational fluid dy namics metho ds .The results are useful fo r establishing new a ttitude control strateg y of the satellite under envisio ned failure .Key words :satellite tank ;liquid propellant ;reo rientation ;fault analy sis ;com putational fluid dy -namics收稿日期:2010-07-20;修回日期:2010-10-28基金项目:中国空间技术研究院(通信卫星事业部)自主研发基金项目作者简介:黄华(1979-),男,博士,工程师,主要从事航天器动力学和卫星总体设计工作。

液氢贮箱停放过程中的力热分析

Thermodynamic Analysis in Liquid Hydrogen Tank while Parking
LUO Tian-pei'12, ZHANG Wei1'2, LI Mao1'2, ZHANG Jia-xian1'2
(1. Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing 100074 , China； 2. Beijing Engineering Research Center of Aerospace Testing Technology and Equipment, Beijing 100074 , China)
在停放4 h左右;而贮箱液位充填至37 m3以上或17 m'以下时蒸发率较低，最小值接近1 m'/h。
关键词：贮箱；Lee模型；安托因方程；VOF模型；蒸发
中图分类号：F407. 51; TM623. 8
文献标识码：A
文章编号：1000-1328(2019)05-0562-08
DOI： 10. 3873/j.issn. 1000-132& 2019.05. 009
摘要：为了寻找到运载火箭长时间停放过程中液氢贮箱的最经济液位，用于制定合理的发射流程以及紧急
处置方法，采用计算流体力学(CFD)技术，对某型运载火箭停放期间液氢贮箱的力、热情况进行了仿真计算和分
析。计算选用了 VOF( Volume-of-fluid)两相流模型以及Lee相变模型，为了提高Lee模型在不同压力情况下对相变
第40卷第5期 2019年5月
宇航学报
Journal of Astronautics

非均匀磁场力作用下微重力液氧气液界面特性

doi: 10.3969/j.issn.2095-4468.2020.06.101非均匀磁场力作用下微重力液氧气液界面特性肖明堃、黄永华“，吴静怡\杨光\耑锐2(1-上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240; 2-上海宇航系统工程研宄所，上海201108)[摘要]为了研宄液氢/液氧航天低温推进剂中液氧的气液相界面分布规律，本文利用低成本、易操控的磁补偿方法实现了地面微重力环境，研宄了磁场自身的非均匀性对液氧相界面分布的影响。

通过数值模拟，得到1x10-3g0微重力水平可以还原真实空间微重力水平下液氧自由界面分布，由此构建了轴向非均匀度为 0.1%的磁场，研宄了磁场力非均匀度对液氧气液相界面爬升的影响规律。

结果表明，当磁场力轴向非均匀度不高于0.1%、径向非均匀度不高于1.4%时，非均匀磁场力作用下液氧振荡稳定时间与均匀体积力作用时相对误差小于5%，自由液面曲率的相对误差小于1%，液氧相界面分布可以较好还原真实空间下液氧气液界面的分布。

[关键词]磁补偿；非均匀性；微重力；液氧；气液界面中图分类号：TB61+1; TP391.9 文献标识码：AGas-liquid Interface Behavior of Liquid Oxygen in Compensated Microgravity Fieldwith Inhomogeneous Magnetic ForceXIAO Mingkun1,HUANG Yonghua*1,WU Jingyi1,YANG Guang1,ZHUAN Rui2(1-Institude of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2-Shanghai Aerospace System Engineering Institute, Shanghai 201108, China)[Abstract]In order to reveal the gas-liquid interface distribution of liquid oxygen in liquid hydrogen/oxygen aerospace cryogenic propellant,a low-cost and easy-to-control magnetic compensation method is used to realize the ground microgravity environment,and the influence of the non-uniformity of the magnetic field on the interface distribution of liquid oxygen is studied.Through numerical simulation,1x10-3g0microgravity level can reduce the free interface distribution of liquid oxygen at the real space microgravity level,and the influence of the inhomogeneity of magnetic field force on the rise of gas-liquid interface of liquid oxygen is studied by constructing a magnetic field with the inhomogeneity in z direction of0.1%. The results show that,when the radial non-uniformity of magnetic field force is not higher than0.1%and the radial non-uniformity is not higher than 1.4%, the relative error of the oscillation settle time of liquid oxygen with inhomogeneous magnetic force and homogeneous field force is less than 5%and that of the free surface curvature of liquid oxygen is less than 1%, thus the distribution of phase interface of liquid oxygen can better reduce the distribution of gas-liquid interface of liquid oxygen in real space.[Keywords]Magnetic compensation;Inhomogeneity;Microgravity;Liquid oxygen;Gas-liquid interface0引言10-6g0 (g0为地球表面重力加速度）量级，静压远小于毛细压力，表面张力占主导地位。

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

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王夕;王珏;容易;黄辉;罗庶【期刊名称】《载人航天》【年(卷),期】2017(023)003【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,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.【总页数】5页(P348-352)【作者】王夕;王珏;容易;黄辉;罗庶【作者单位】北京宇航系统工程研究所,北京100076;中国运载火箭技术研究院,北京100076;北京宇航系统工程研究所,北京100076;北京宇航系统工程研究所,北京100076;北京宇航系统工程研究所,北京100076【正文语种】中文【中图分类】V57【相关文献】1.液氢贮箱微重力喷射降压特性数值模拟研究 [J], 马原;孙培杰;李鹏;厉彦忠;王磊2.微重力下低温贮箱内推进剂相变仿真模型研究 [J], 王夕;王珏;容易;黄辉3.地面及微重力条件下低温贮箱内相变和传热的数值仿真 [J], 李佳超;梁国柱4.微重力环境下大叶片板式贮箱内流体行为的数值仿真与试验验证 [J], 胡齐;李永;潘海林;李泽5.微重力条件下初始液氢温度对低温推进剂贮箱气枕压力的影响 [J], 王妍卉; 周炳红因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

贮箱内推进剂微重力下晃动的有限元模拟及试验

贮箱内推进剂微重力下晃动的有限元模拟及试验
陈健;范晴云
【期刊名称】《上海航天》
【年(卷),期】2004(021)003
【摘要】采用有限体积(VOF)法+任意拉格朗日-欧拉(ALE)法,建立分析液体火箭贮箱内推进剂大幅晃动的数学模型,给出了计算的基本方程.对常重力和低重力下不同形状贮箱内推进剂的非线性晃动进行了数值模拟,并用落塔法进行了微重力下贮箱内液体晃动试验.结果表明,数值模拟法与落体试验的结果相近,在工程上有一定的实用价值.
【总页数】5页(P15-19)
【作者】陈健;范晴云
【作者单位】上海宇航系统工程研究所,上海,201108;上海宇航系统工程研究所,上海,201108
【正文语种】中文
【中图分类】V414
【相关文献】
1.大容量推进剂贮箱液体晃动性能试验 [J], 胡齐;李永;姚灿;刘锦涛
2.变轨条件下卫星贮箱内液体推进剂晃动特性三维数值模拟 [J], 张博譞;李国岫;虞育松
3.微重力下球形贮箱内液体晃动有限元模拟 [J], 赵阳;潘冬;马文来
4.微重力下圆柱形贮箱内液体晃动的分岔现象 [J], 杨旦旦;岳宝增
5.侧向微重力环境下板式表面张力贮箱内推进剂晃动行为分析 [J], 黄滨;王璐;陈磊;刘锦涛;吴大转
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低温液氢储存的现状及存在问题

低温液氢储存的现状及存在问题1引言能源一直是人类发展的永恒话题，也是国家发展的重要战略资源。

人类的发展史也是能源的更迭史。

自18世纪拉瓦锡给氢命名以来，对氢的研究已有200多年的历史。

氢能具有储量大、热值高、零污染等无与伦比的优势，能很好解决人类社会能源短缺、环境污染等迫在眉睫的问题。

目前，氢能已由曾经所谓的“未来能源”开始逐步应用于低温液体火箭、汽车、船舶和飞机的动力源，以及燃料电池中。

目前有两个重要问题制约着氢能发展，一是氢的制取，二是氢的储存。

对于氢的制取，目前工业大规模使用的制取方法主要以电解水和甲烷水蒸气重整制氢(Steam－methanereforming，SMＲ)为主，也有一些生物制氢方面的研究，主要问题是电解水耗能太大，成本太高，显得得不偿失；而甲烷重整相对而言成本较低，但其产生的CO及CO2温室气体不利于环境友好对于氢的储存，目前获得广泛关注的储氢技术主要有高压储氢、低温液态储氢以及金属氢化物储氢。

当然也不乏一些新的储氢技术，主要是一些新型的储氢材料，包括有机溶液储氢以及纳米碳管储氢等，其在实验室研究中具有一定的优越性能，表现出巨大潜力。

但由于难以批量生产、成本过高、脱氢效率低等原因，目前距大规模的工业应用还有一定距离。

2主要储氢技术高压储氢是常温下将气态的氢压缩至高压状态而储存在气罐中。

目前储氢气罐的压力主要有15、35、70MPa三种。

15MPa的高压储氢气罐为普通的钢制储氢气罐，其设计制造技术成熟，成本相对较低，对压缩机的压力要求低，能耗也相应较低，但其气罐质量很大，单位储氢密度小，储氢效率低。

随着氢能开始在汽车燃料电池中取得应用，对储氢罐的储氢密度与储氢效率提出了更高要求，普通的钢制储氢气罐不再适用，轻质高压储氢容器成为研究重点。

轻质高压储氢容器多为金属内胆纤维缠绕复合材料储氢罐，目前35MPa已是较成熟的技术，70MPa则是研究的热点，在丰田2014年年底上市的氢燃料电池汽车Mirai上，应用了70MPa的储氢技术，目前国内也有许多企业完成了70MPa高压氢燃料电池汽车储氢罐的研发工作。

液氧贮箱增压过程中气枕空间温度场的数值模拟

液氧贮箱增压过程中气枕空间温度场的数值模拟尚存存;耑锐;王文【摘要】Heat and mass transfer model based on the two film resistance theory were built by simulating non-steady heat flow process within the tank, the ullage temperature variation and its influence on low temperature liquid oxygen in pressurization gas transport process was analyzed.%液氧贮箱增压气体输送过程中,气枕空间的温度场会发生较大的变化,并且会引起相界面附近低温液体的温升.基于双膜阻理论建立热质交换模型,通过模拟贮箱内非稳态热流过程,分析气枕空间在增压气体输送过程中温度场的变化及其对于贮箱内低温液氧的影响.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2011(000)006【总页数】6页(P47-51,65)【关键词】液氧贮箱;增压过程;热分层;气枕空间【作者】尚存存;耑锐;王文【作者单位】上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海,200240;上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海,200240;上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海,200240【正文语种】中文【中图分类】TB611符号表α:体积分数t:时间，sv:速度，m/sρ:密度，kg/m3S:源项u:X方向速度分量，m/sv:Y方向速度分量，m/sw:Z方向速度分量，m/s:速度矢量p:压力h:比焓，kJ/kgη:动力粘度，kg/(m·s)T:温度，Kλ:流体的导热系数，kJ/(m·K)q:热流密度，kJ/(m2·s)δ:有效界面膜厚度，mm:相界面环境浓度，kmol/m3C A:组元A的摩尔浓度，kmol/m3 C A0:组元A的初始浓度，kmol/m3 D:扩散系数，m2/sθ:扩散时间，sM:相对分子质量σ:平均碰撞直径Ω:分子扩散碰撞积分N:摩尔通量，kmol/(m2·s)cp A:平均比定压热容，kJ/(kg·K)α:对流传热系数，kJ/(m2·K)i:单位质量的焓，kJ/kgy:气相的摩尔分数P:贮箱总压力，×101.325 kPa下标l:液相A:气氧o:高温氧气v:气相B:液氧w:壁面1 引言高温氧气进入低温液氧储箱的自生增压方式是液氧贮箱增压气体输送的一种重要形式，在这一过程中，由于气枕温升以及气体流动，相界面附近液体会出现温升，并且会影响到低温液氧的热与流动特性。

液氢贮箱微重力喷射降压特性数值模拟研究

液氢贮箱微重力喷射降压特性数值模拟研究马原;孙培杰;李鹏;厉彦忠;王磊【摘要】为研究在轨环境下,热力学排气系统对低温推进剂贮箱的控压性能,采用CFD方法对微重力条件下液氢贮箱内过冷液体喷射过程开展数值模拟研究,对比计算不同喷射区域、喷射流量、喷射速度等因素对箱内物理场分布与压力变化的影响.计算结果表明,低流量流速下,气相区喷射流体无法形成射流,将在喷口处堆积成液团并逐渐积累,降压效果较弱;而液相区喷射几乎没有降压效果.随着流量流速增大,喷射降压效果均有提升.低流量时,气-液相区喷射可以认为是气、液相区单独喷射的叠加,随着流量流速增大,射流对于气、液相区扰动具有交互影响,不再具有叠加性.整体来看,气-液相区喷射降压性能优于单独区域喷射,液相区喷射降压效果最弱.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2018(024)004【总页数】9页(P266-274)【关键词】微重力;喷射降压;液氢贮箱;气液分布;压力变化【作者】马原;孙培杰;李鹏;厉彦忠;王磊【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,西安 710049;上海宇航系统工程研究所,上海 201108;上海宇航系统工程研究所,上海 201108;西安交通大学能源与动力工程学院,西安 710049;西安交通大学能源与动力工程学院,西安 710049【正文语种】中文【中图分类】V434;TB61+70 引言以液氢、液氧为代表的低温推进剂以其高比冲、无毒无污染的性能优势成为未来空间任务的首选推进剂，然而低温流体具有沸点低、极易蒸发、难以贮存等特点，在轨期间空间外热流会造成箱内流体的升温气化并伴有贮箱压力的持续升高[1-2]。

为了确保低温推进剂较长时间在轨贮存，需采用各种被动、主动措施降低推进剂蒸发量与压增速率，主动管理方案受到了研究人员的广泛关注，包括流体混合搅拌破坏热分层、空间制冷机引入、在轨排气等[3]。

NASA于上世纪90年代开展了喷射混合搅拌控压的地面实验[8]与航天飞机搭载实验[4-6]。

水平振动管内液氢流动沸腾压降的数值模拟

水平振动管内液氢流动沸腾压降的数值模拟商燕;常华伟;郑尧;陈建业;舒水明【摘要】在液氢加注系统中,管道振动会显著影响液氢加注效率,甚至会威胁到加注过程的安全性.为了避免这种现象,确保加注过程的安全的进行,建立加注管路的三维模型,采用数值仿真的方法,从不同入口速度、振幅、频率等方面,利用CFD软件模拟并分析振动对液氢管内流动沸腾压降的影响.利用快速傅里叶变换(FFT)分析方法,得到液氢管内流动沸腾压降波动与管道振动之间的关系.研究结果表明:对液氢在输运管内流动压降影响最大的是频率,而对压降波动影响最大的是入口速度.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(049)009【总页数】7页(P2337-2343)【关键词】液氢;振动;压降;数值模拟;快速傅里叶变换【作者】商燕;常华伟;郑尧;陈建业;舒水明【作者单位】华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉,430074;华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉,430074;航天低温推进剂技术国家重点实验室,北京,100028;华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉,430074;华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉,430074;华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TK91液氢作为一种清洁且高能量密度的燃料，被广泛应用于卫星、航天飞机和宇宙飞船等的运载火箭发射中，在航空推进领域中起着关键性作用。

在火箭加注系统中，低温流体的管道输送过程对火箭加注系统是否成功加注起着决定性作用，因此，对低温流体在输送管道内流动换热的研究具有重大意义，而确定管路系统的振动对输送管内流体流动压降的影响是安全输送低温流体的重要部分。

KIM等[1]在原有理论的基础上，通过考虑过冷度的影响，提出了一种分析流体诱发振动的方法，实验结果证实了该方法的有效性。

而WIGGERT等[2−3]对考虑管道轴向振动与流体压力脉动的流固耦合4方程模型进行了研究。

微重力环境下低温流体的数值模拟与特性研究

微重力环境下低温流体的数值模拟与特性研究张铠;潘雁频;冶文莲;王丽红;曲家闯【摘要】在重力场下，贮箱中流体的状态是已知的，流体状态是按规律分层分布的，而在微重力环境下，贮箱中流体状态是未知的，气相和液相的分布是不规则的，其界面的几何形状也是不确定的。

通过采用VOF方法，对贮箱中的液氢在微重力条件下进行了数值模拟研究，主要考虑了不同重力加速度，接触角和不同充液量等因素的影响，从而得到在微重力条件下影响气液分布的主要因素。

%In the gravity field,the state of fluid in the tank is known,which is based on thelaw of hierarchical distri-bution. While under the circumstance of microgravity,the state of fluid in the tank is unknown. And the distribution of gas-eous phase and liquid phase is irregular. So the geometrical shapeof the interface is unsure. This paper uses VOF method to simulate the liquid hydrogen storage tank under the circumstance ofmicrogravity,which mainly considers the influ-ence of different factors,such as gravitational acceleration,contact angle and different working fluid filling. Thus the nu-merical simulation can summarizes the principal factor on the gas-liquid interface in microgravity.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2016(022)002【总页数】5页(P85-89)【关键词】微重力;液氢;重力加速度;接触角;充液量【作者】张铠;潘雁频;冶文莲;王丽红;曲家闯【作者单位】兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】TB61为了促进人类向更宽更广的深空领域推进和发展，实现人类在月球的居住以及火星载人探测等任务是未来航天发展的趋势，其中低温液体在航天技术中的应用越来越广泛，从作为推进剂的燃料、宇航员呼吸用的氧和氮，以及其他用途的氢、氙、甲烷等，都可以以低温液体的形式贮存，需要在微重力环境下对低温流体的数值与特性进行模拟研究。

液氢贮罐复温过程的非稳态数值研究

液氢贮罐复温过程的非稳态数值研究陈强;陈虹;刘岩云;李苏疆;贾宏亮【摘要】利用计算流体动力学技术对卧式液氢贮罐的复温过程进行了非稳态数值研究,得到了不同充气时刻的贮罐温度和速度分布,分析了罐内气体和壁面的温度变化过程.研究结果表明,在充气35 s后,罐内氢气平均温度由120 K上升至224 K,总温升为104 K.贮罐内部远离入口的远端封头附近氢气温度为220 K,而在近端封头部位则积聚较多的低温氢气,其温度变化范围为130 K-200 K,这些残余的低温氢气在静置过程中将促使贮罐的监测温度降低.整个充气过程中绝热层除开靠近金属壁面处有一定的温升,其它区域并没有明显的温度改变.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】7页(P14-19,31)【关键词】液氢;贮罐;复温【作者】陈强;陈虹;刘岩云;李苏疆;贾宏亮【作者单位】航天低温推进剂技术国家重点实验室北京 100028;航天低温推进剂技术国家重点实验室北京 100028;航天低温推进剂技术国家重点实验室北京100028;航天低温推进剂技术国家重点实验室北京 100028;西昌卫星发射中心试验技术部西昌615000【正文语种】中文【中图分类】TB657.91 引言液氢作为一种高能燃料，与液氧组成的推进剂组合具有高比冲、高比推力、无污染的特点，因此在航天推进领域得到了重要的应用。

为了保证液氢的纯度，液氢贮罐在使用一定时间之后需要进行置换并恢复至常温，通常作法是将常温氢气或者氮气快速填充至贮罐内并静置一段时间，待其充分换热之后将内部的气体排出，再进行下一次的换热。

对于较大容量的液氢贮罐，往往需要多次置换过程才能将整个贮罐温度恢复至常温，因此有必要开展提高置换复温的换热效率、减小循环次数的研究。

液氢贮罐复温过程的参数优化问题，理论上属于低温贮罐换热过程的研究。

在这方面，国内周霞、刘丽等人对液氧储罐的预冷过程进行了理论分析与数值计算[1-3]，罗天龙对大型液化天然气储罐的非稳态传热过程进行了理论研究[4]，曹学文等人对大型液化天然气储罐预冷过程参数进行了计算，并与实验进行了对比[5]。

微重力下动态气液分离装置的数值模拟

微重力下动态气液分离装置的数值模拟蔡玉强;李亚丛【摘要】微重力环境下的气液分离作为尿液预处理单元的关键环节对维持系统压力稳定,保证蒸汽压缩蒸馏装置安全运行具有至关重要的作用.为了实现微重力条件下气/液(尿)分离,采用ICEM CFD软件建立了锥式动态气液分离装置的有限元模型;利用Fluent数值模拟了装置内部气液两相的分离过程,分析了锥式转鼓的旋转速度、气液混合物中各组分的含量、气泡直径大小等参数对分离效果的影响,为未来微重力环境下气液分离装置的设计优化和效率提高提供了有效的参考依据.【期刊名称】《河北联合大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(039)004【总页数】6页(P60-65)【关键词】微重力;动态气液分离装置;数值模拟;分离效率;fluent【作者】蔡玉强;李亚丛【作者单位】华北理工大学机械工程学院,河北唐山 063210;华北理工大学机械工程学院,河北唐山 063210【正文语种】中文【中图分类】TQ051.8蒸汽压缩蒸馏系统(VCD)是国际空间站从尿液废水中回收纯净水的重要装置，自19世纪60年代初，美国开始着手利用蒸汽压缩蒸馏系统实现循环用水的研究，经过几十年的不断改进，已顺利将其应用到国际空间站中[1]。

微重力环境下的气液分离作为尿液预处理单元的关键环节对维持系统压力稳定，保证装置安全运行具有至关重要的作用。

由于空间站微重力环境的搭建工作操作系数低且价格昂贵，因此运用数值模拟与理论分析相结合的方法分析微重力环境下的气液分离问题已成为更多研究者的选择。

在空间微重力环境下气泡失去液相浮力不能自行上浮，使得气体从液体中分离出来存在一定的难度。

近年来，利用fluent模拟常重力条件下气液分离器的文章广见报道[2-5]，且取得了明显的进步，但关于微重力环境下的气液分离却鲜被研究。

以实现微重力条件下气/液(尿)分离为目的，利用Fluent软件对动态气液分离装置内部两相流动进行数值模拟，从而得出不同旋转速度、含气量、气泡直径大小下的分离效率，为以后微重力环境下气液分离装置的设计和改进提供可靠的参考依据。

微重力条件下部分充液贮箱气液界面波动特性的数值模拟

微重力条件下部分充液贮箱气液界面波动特性的数值模拟魏列;杜王芳;赵建福;李凯
【期刊名称】《力学学报》
【年(卷),期】2022(54)4
【摘要】微重力环境中部分充液贮箱内气液界面和气、液两相介质在残余重力或加速度干扰下的运动特征是先进空间流体管理技术的基础.本文针对空间贮箱常用构型和实际尺寸,基于邦德数相似准则设计了3个缩比模型,数值模拟了原型贮箱和缩比模型中加速度变化引起的贮箱内气液两相流动及气液界面上界面波的传播.数值模拟结果验证了原型和模型间的运动相似性,发现在满足邦德数相似准则的前提下,系统还近似满足韦伯数相似准则,或等价地,近似满足弗劳德数相似准则.此外,数值模拟结果也表明原型和模型间的运动存在细微偏差,这主要源于黏性耗散作用的差异.由韦伯数相似准则可知,缩比加大,贮箱尺寸减小,重力突变后由表面张力释放出来的驱动力增强,相同韦伯数下流动速度增大,黏性耗散作用随之增强,本文的数值模拟结果证实了该结论.相关结果可以用于指导空间贮箱流体管理技术的地面模拟试验的方案设计等.
【总页数】9页(P1004-1011)
【作者】魏列;杜王芳;赵建福;李凯
【作者单位】中国科学院力学研究所微重力重点实验室;中国科学院大学工程科学学院
【正文语种】中文
【中图分类】O359
【相关文献】
1.微重力条件下40%充液旋转贮箱中液体再定位的计算
2.微重力环境下推进剂贮箱中三维气液平衡界面的数值模拟
3.航天器贮箱气液自由界面追踪数值模拟
4.微重力条件下部分充液贮箱中流体动力学行为的三维计算
5.微重力条件下上面级贮箱液体推进剂自由界面变形数值模拟研究
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液氢空间贮存过程膜态沸腾数值模拟

液氢空间贮存过程膜态沸腾数值模拟
王娇娇;厉彦忠;王磊
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2022()1
【摘要】为实现液氢在空间中安全高效应用,针对微重力条件下液氢膜态沸腾现象,建立了加热细丝浸没在过冷液氢池中的数值计算模型。

采用VOF方法捕捉相界面,相变模型选取Lee模型,利用文献中的实验数据验证了模型的准确性。

从气泡运动行为和换热特性两方面开展研究,结果发现液体过冷度和重力水平是影响换热机理的两个重要因素。

在高重力水平、低液体过冷度的条件下,加热细丝上方持续产生气泡并脱离,随着重力水平的降低,气泡脱离直径和气泡生长时间逐渐增大,流体与壁面间换热量随之降低。

在低重力水平、高液体过冷度条件下,气膜附着在加热丝表面不断晃动,没有气泡的产生与脱落现象。

对于液体过冷度为2 K,壁面过热度为30 K的工况,气泡是否脱落的临界重力在0.1 g至0.15 g之间。

【总页数】6页(P51-56)
【作者】王娇娇;厉彦忠;王磊
【作者单位】航天低温推进剂技术国家重点实验室;西安交通大学制冷与低温工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TB663;TB61
【相关文献】
1.水平振动管内液氢流动沸腾压降的数值模拟
2.基于RPI沸腾模型的液氮池内核态沸腾过程模拟与分析
3.基于双流体模型的液氢流动沸腾数值模拟
4.使用界面追踪对膜态沸腾的数值研究(英文)
5.球体表面强制对流膜态沸腾换热的数值模拟
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