复合材料气瓶充放气过程仿真与验证

复合材料气瓶充放气过程仿真与验证

王恺陈二锋2,张翼2,王道连2,伍继浩1

(1.中国科学院理化技术研究所，北京100190;2.北京宇航系统工程研究所，北京100076)

摘要:本文阐述了复合材料气瓶充放气过程的热力学基础，利用系统仿真软件A M E S i m，构建了基 于实际物理过程的复合材料气瓶充放气仿真模型，并对充放气过程中的内、外侧换热及瓶壁间导热 进行了数值模拟，分析了复合材料气瓶充放气过程中的压力、温度特性。通过与复合材料气瓶充放 气试验数据的对比分析，验证了本文所提出的实际充放气仿真模型的有效性，并且对于不同介质、不同充放气工况具有良好的适用性。

关键词:复合材料气瓶;充放气;仿真;试验

中图分类号:TH49;TG435;TB115 文献标志码:A 文章编号= 1001 -4837 (2016) 12 -0001 -06

doi：10. 3969/j. issn. 1001 -4837. 2016. 12. 001

Simulation and Experimental Validation on Charge/Discharge

of Composite Cylinders

WANG Kai12,CHEN Er -feng2,ZHANG Yi2,WANG Dao -lian2,WU Ji -hao1

(1. Technical Institute of Physics and Chemistry,CAS,Beijing 100190 ,China;2.Beijing Institute of As-tronautical Systems Engineering,Beijing 100076 ,China)

Abstract：The thermodynamic basis of charging and discharging process of composite cylinders was de­scribed.Based on the system simulation software AMESim,the convective and conduction heat transfer models of the inner wall and the outer wall during the charge and discharge process of composite cylinder were constructed.Based on the models,the pressure and temperature characteristics were studied numeri­cally.By comparing the results of the simulation and the experimental data of charge and discharge of composite cylinder,the modelsr effectiveness was validated.Results indicate that the models can adapt to different media and charge or discharge modes.

Key words ：composite cylinder；charge/discharge;simulation；experiment

〇引言

气瓶作为运载火箭动力系统重要的贮气装 置，其充放气过程的温升、温降特性将影响系统的 增压性能及气瓶性能[1。尤其是对于复合材料 气瓶，复合材料对温度敏感性较高，且选用树脂材料作为粘合剂时温度过高容易导致复合材料层剥 离，影响复合材料气瓶的承载能力。复合材料气 瓶的充放气过程是一个典型的变质量系统热力学 问题，其影响因素很多，如气瓶的几何参数、充放 气介质、充放气速率、气源温度以及传热系数等等 影响因素。因此，需要进一步研究对于确定的复 合材料气瓶，如何通过控制充放气速率、

气源温度

CPVT复合材料气瓶充放气过程仿真与验证Vol.33 No. 12 2016

等充装参数将气瓶温升控制在允许范围内[>4]。

复合材料气瓶的充放气过程是气动系统的一

个基本过程，传热系数对于这个过程的影响较为 复杂，详细的理论建模难以在实际中应用，因此传

统方法是将其简化为绝热过程或等温过程，也有 将传热系数视为常数的简化方法。其中绝热过程

适用于瞬时快速充放气过程，而等温过程则适用

于长时间缓慢充放气过程。但是对于增压系统常 用的高压充放气过程，充放气速率约为1 ~ 10 MPa/min，且需要较高的充放气效率。而且在实

际充放气过程中，传热系数是变化的，其变化是由 于气瓶内压缩气体的压力或流量的变化引起的。地面试验及飞行数据也均表明，复合材料气瓶实 际充放气过程中的压力、温度变化与绝热充放气 过程及等温充放气过程存在明显偏差。因此，绝 热模型、等温模型或者常数传热系数模型均和实 际充放气模型存在偏差，很难反映真实的充放气 过程[5<。

本文从复合材料气瓶充放气过程中实际的3 部分换热过程入手，构建气体与瓶壁、瓶壁内外侧 间导热、瓶壁与外界环境间的换热模型，开展气瓶 充放气过程的分析研究，通过与地面试验数据对 比，验证了仿真分析模型的普适性与有效性，阐明 了充放气速率、充放气介质、气源温度以及传热系 数等因素对充放气过程的影响。

1充放气过程热力学分析[9]

1.1充放气过程的热力学第一定律表达式

对充放气过程问题的分析求解，不论是选取

开口系统还是闭口系统，其分析均基于热力学第 一定律，一般选取气瓶的内界面为边界，即选取边 界内的控制容积为非稳定流动的开口系统。当进、出口均为单股流时，开口系统在出时间内的 热力学第一定律表达式，即开口系统能量方程为：=d£+[ (h+c /2 +gz)8m]o u t ~[(h +

c2/2

+gz)Sm]m +8W(1)

式中—热量，J

E,IF_系统总能量、向外界传递的功，J

h—进出口工质的焓值，J/kg

c—进出口工质的流动速度，m/S

m---进出口工质的质量，kg

z—进、出口高度，m

考虑到充放气时工质在进出口的势能差和动 能差一般可以忽略不计，且充放气过程中系统一 般没有整体位移，系统总能量£中的系统宏观运 动动能和系统重力位能的变化均为零;对于刚性

气瓶，其容积^不变，可得到= 0，因此开口系 统能量方程式可以简化为：

SQ=dU+ (hSm)o ia - (hSm)m(2)式中U—热力学能，J

为了简化分析过程，假设比热容为定值，研究 对象为理想气体，则理想气体状态方程的微分形 式如下：

dp/p+ dV/V= dm/m+ dT/T(3 )

式中P---气体压力，Pa

T—气体温度，K

V—气体体积，m3

又因为气瓶的容积F不变，式（3)可以进一

步简化为：

dp/p= dm/ m+ dT/T(4) 1.2 气瓶绝热充放气模型

对于气瓶绝热充放气过程，系统与外界无热 量变化，因此可以得出：

dU+ (hSm)o u t - (h8m)m =0 (5)

以复合材料气瓶的充气过程为例，详细介绍 气瓶绝热充气过程的模型构建。

首先，根据df/ = d(服〇= mdu + udm，且有

=dm人=/1。，=c j，/i=cp7\可以推导出：

dm C V AT dy^

m C ph-Cv1k lo~1

式中&----理想气体的定容比热容，J/(kg •K) cp—理想气体的定压比热容，J/(kg •K)

T0—充气气源温度，K

k---比热比，A=£；/&

根据式(4)和（6)，联立消去dm/m并积分，

得到计算最终温度的公式为：

T2 =kT{/[ T^T q + (k-(7)

根据式(4)、（6)，联立消去d777\并将理想 气体状态方程以71= Py/(mRg)的形式代入并积

分，得到计算气瓶充气量的公式为：

Am= m2-m l= (p2 -p J/ikRgT^(8)式中Rg—气体常数，J/(kg •K)

1.3气瓶等温充放气模型

对于气瓶等温充放气过程，气瓶内介质温度 无变化，气瓶与外界有热量交换，因此有d r= 〇,