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,
第33卷第12期压 力容器总第289期
SQy^〇〇
下面以复合材料气瓶的充气过程为例，详细
介绍气瓶等温充气过程的模型构建。

首先，根据 dt/= d(m^) =md^+^dm=m(^dr+ cvTAm,8min = dm,hm =h0=cpT0,A S：(2)
中可以推导出：
8Q= cvTdm- cpT0dm(9)
将d r= o代入式(4)中可以得出：
dm/m= dp/p(10)
再将理想气体状态方程以m = j9F/( 7及^)的
形式代入式（l〇)并积分，可以得到计算充气量 Am的公式为：
Am= m2 -m1 = V(p2(11)
根据式(9)、（10)消去dm/m并将理想气体 状态方程以的形式代入，同时考虑 到& =只- 1)，积分后可以得到充气过程容 器放热量P的计算公式为：
Q= (p2-p1)(l-kT0/T1)V/(k-l)(12) 1.4 实际充放气模型
对于实际的气瓶充放气过程，气瓶在充放气 过程的换热特性由3部分组成:气瓶内侧为介质 强制对流换热，气瓶外侧为空气或其他介质的自 然对流，同时气瓶内外壁面之间存在径向导热，具 体如图1所示。

对气瓶实际充放气过程的建模通 常有2种方式:工程简化算法和基于实际物理过 程的建模方法。

图1复合材料气瓶充放气过程的换热特征示意 1.4.1工程简化算法
工程上为简化计算，常采用综合换热系数表 征气瓶充放气过程的换热特性，忽略气瓶内气体与瓶壁、瓶壁内外侧间导热、瓶壁与外界环境间具
体的换热过程，认为气瓶内气体和外界间的总传
热量和传热系数、换热面积、温差有关，即：Qr=h〖As(Tamb-T)(13)
式中Q，一单位时间内气瓶内气体和外界间的
传热量，W
hr一综合换热系数，W/(m2 •K)
4气瓶表面积，
m2
T am b—环境温度，K
其中，参数V为综合换热系数，考虑气瓶内 侧的介质强制对流换热、气瓶外侧空气的自然对 流及气瓶内外壁面间的径向导热，由于受充放气 速率、气瓶结构尺寸及环境条件的影响，通常由试 验确定。

1.4.2基于实际物理过程的建模方法[1°_11]
根据复合材料气瓶充放气过程的实际换热特 性，本文提出了构建气体与瓶壁、瓶壁内外侧间导 热、瓶壁与外界环境间换热特性的详细建模方法 如下。

首先，气瓶内介质与内壁面的换热。

气瓶内
气体与壁面之间的换热热流计算公式为：SQ^h M^-T)(14)
式中\—，瓦内壁面对?纖热系数，W/(m2 .K) At—气瓶内壁面换热面积，m2
Tt—气瓶内壁面换热温度，K
在充放气过程中，气瓶内气体与内壁间换热
方式为强迫对流换热，采用管内湍流换热公式计
算内壁面对流换热系数
、=0•Q23 •Re08 •Pr04 • ^(15)
一气体介质的&、八数
气体导热系数，W/(m •K)
式中办，/V
^He
L—特征尺度，m
其次，气瓶内、外壁面间径向的导热。

气瓶内
壁面与外壁面间径向导热热流的计算公式为：8QW
式中抑
A,-
_4 式（r o-r j
1/rl~ 1/r〇
-气瓶壁导热热流，W
(16)
一气瓶壁导热系数，W/(m •K)
T0J V—气瓶外、内壁面温度，K
r〇，r「_气瓶外、内壁面半径，
最后，气瓶外壁面的换热。

气瓶外壁面的换
热热流计算公式为：
CPVT
复合材料气瓶充放气过程仿真与验证
Vol . 33 No . 12 2016
SQ 0=h 0A 0(TAir ~T o)
(17)
式
中
—
气瓶外壁换热热流，W
K —
气渺_面对?嫌热系数，W /(m 2 • K ) A 0—气瓶外壁面换热面积，m 2 TA ir —
气瓶外大气温度，K
考虑到在充放气过程中，气瓶外壁面与外界 介质间的换热通常为自然对流换热，计算外壁面 对流换热系数\时，采用自然对流换热公式为：
h 0 =0.21 • (Gr • Pr )0'25 • y -
(18)
式中
Gr ---气体介质格拉晓夫数A —气瓶外介质的热导率，W /(m • K )
进行二次开发所得到的气瓶换热计算元件。

2气瓶充放气过程仿真建模计算
2.1仿真模型
[12-14]
根据第1.4节中的实际充放气模型，基于数 值仿真软件AMESim 构建了 56 L 复合材料气瓶 的放气模型，如图2所示。

该仿真模型中包括气 瓶元件、气瓶内侧强制对流换热元件、铝合金内衬 径向导热模块、复合材料层径向导热模块、气瓶外 侧自然对流换热元件及定压放气速率模块，其中
气瓶内侧强制对流换热元件是通过AMESet 软件
图2
复合材料气瓶充放气模型(56 L)
2. 2
参数设置
56 L 复合材料气瓶放气模型的气体物性根
据
PR 方程计算。

在AMESet 自建气瓶换热计算 元件中通过调用AMESim 软件两相流库物性函数 计算气体的~，A ，M ，以此提高内壁面对流换热系
数的计算精度。

复合材料气瓶几何参数如表1所 示，其中内衬材料为铝合金6061，其材料物性设 置如表2所示，复合材料层材料为玻璃纤维布+ 碳纤维+树脂，其材料物性设置如表3所示。

表
1复合材料气瓶参数(56 L)
项目容积/L
内衬材料复合层材料
内衬质量/kg 复合层质量/kg
参数
566061玻璃纤维布+碳纤维+树脂
11.528. 1
表2
铝合金6061材料物性
项目材料
定压比热/(k g /m 3)密度/[J /(k g.K )]热导率/[W (m • K )]
参数
6061
900
2700200
表3
复合材料材料物性
项目材料定压比热/(k g /m 3)密度/[J /(k g • K )]热导率/[W (m • K )]
参数
复合材料层
110015750.95
2.3仿真计算
瓶充放气仿真分析。

对于氮气4.2MPa /min 放气基于上述AMESim 仿真模型及参数设置，针 试验工况，仿真及试验结果如图3所示;对于氦气对56 L 复合材料气瓶充放气试验过程，开展了气
11 MPa /min 放气试验工况，仿真及试验结果如图
•
4 •
第33卷第12期
压 力容器总第289期
4所示;对于氦气2.2 MPa/min 放气试验工况，仿
真及试验结果如图5所示，计算模型包括本文所 提出的实际充放气模型及以往的绝热充放气 模型。

40
压力试验值觀值绝热放气
350
250
时间/s
500
图3
氮气4. 2 MPa /min 放气过程仿真及试验结果
350
200 ^
II
50
图4
氦气11 MPa /min 放气过程仿真及试验结果
图5
氦气2. 2 MPa /min 充气过程仿真及试验结果
3气瓶充放气试验及仿真模型有效性验证
3.1
气瓶充放气试验
56 L 复合材料气瓶工作压力35 MPa,充放气
试验系统原理如图6所示。

试验工况包括氦气
11 MPa/min 放气、氮气4. 2 MPa/min 放气和氦气
2.2 MPa/min 充气工况。

气瓶充气试验的过程如 下:充气时首先用30 MPa 气源将气瓶充至约30 MPa,然后使用40 MPa 气源将气瓶充至35 MPa 。

放气试验从气瓶压力35 MPa 放气至1 MPa 。

充
放气速率通过孔板和手阀控制，气瓶充气、放气经 由同一端管嘴。

充放气过程对气瓶压力、瓶内气 体温度进行测量。

瓶内气体温度设置1个传感 器，由一端管嘴伸人瓶内，如图7所示。

试验系统 实物如图8所示。

图6
充放气试验系统
充气人口
图7温度测点布置
图8
充放气试验现场
墨
SI
00
2
CPVT
复合材料气瓶充放气过程仿真与验证
Vol . 33 No . 12 2016
3.2试验结果及仿真模型有效性分析
充放气过程中气瓶内气体的压力、温度变化
曲线及其与仿真计算结果对比如图3〜5所示。

对于放气过程，基于实际放气过程的仿真曲线与
试验放气曲线两者一致，绝热放气曲线与试验放
气曲线在初始时刻气体温度变化趋势一致，放气
过程末期两者差距逐渐拉大。

对于充气过程，充
气初始时刻气瓶内气体的温度升高速率很快，这
是因为初始时刻气瓶内的气体压力与充气前的压 力之比增长得快，基于实际充气过程的仿真曲线 与试验充气曲线两者一致，绝热充气曲线与试验 充气曲线存在较大偏差。

可以看出，对于不同介质、不同充放气工况，
基于实际放气过程的仿真模型与试验数据一致性
较好，能够比较准确地反映复合材料气瓶充放气
过程中瓶内气体的压力、温度变化情况，计算准确
性相比绝热模型大大提高，只是在放气工况的末
期，与试验数据误差稍大，其原因在于实际气瓶放
气试验中气瓶压力在试验末期已经偏离原来的定 压放气速率。

4结论本文采用系统仿真软件AMESim ，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，通过构建气体与瓶壁、瓶壁内外侧间导热、瓶
壁与外界环境间的换热模型，数值研究了复合材
料气瓶充放气过程中的压力、温度特性，得到了以
下结论。

(1) 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。

(2) 所提出的计算模型相比绝热放气模型更
能反映实际的放气过程，尤其对于充气过程和放
气过程的末期，绝热放气模型的气瓶内介质温度
已远远偏离真实过程，而当前模型则较好的与试
验数据相一致。

(3) 所提出的计算模型对于不同介质、不同 充放气工况的适用性较好，相比传热系数视为常 数的简化计算方法，其适用性更好，不用事先通过 试验确定等效传热系数。

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297.
收稿日期=2016 -10 -
26修稿日期=2016-11 - 30
作者简介:王恺（1987—），男，工程师，主要从事运载火箭 增压输送系统研究，通信地址:100076北京市9200号信 箱 10 分箱 12 号,E - mail: wk. freeran@ 163. com 。