低溫推進(jìn)劑交叉輸送管路流場(chǎng)特性仿真研究

許 浩，容 易，季 偉，崔 晨，王 夕，陳士強(qiáng)，陳六彪，王俊杰

(1.中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

低溫推進(jìn)劑交叉輸送(Cryogenic Propellant Cross Feed，CPCF)技術(shù)是一種應(yīng)用于使用低溫推進(jìn)劑的運(yùn)載火箭或者航天飛機(jī)等多級(jí)航天動(dòng)力系統(tǒng)的推進(jìn)劑管理技術(shù)，強(qiáng)調(diào)推進(jìn)劑在級(jí)間的共用與相互補(bǔ)充。利用CPCF技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的運(yùn)載能力，其優(yōu)越性主要有:①對(duì)于某確定系統(tǒng)的可靠性，利用該技術(shù)可以提高至99.9%甚至更高；②對(duì)于某確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，使用該技術(shù)可以有效降低約25%；③對(duì)于某確定系統(tǒng)的總重和結(jié)構(gòu)干重，與不具備CPCF技術(shù)的系統(tǒng)相比，利用該技術(shù)的系統(tǒng)能夠分別減小約38%和33%。由此可見(jiàn)，在動(dòng)力系統(tǒng)中使用CPCF技術(shù)能夠在很大程度上提高整體性能，這就需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究和儲(chǔ)備。通過(guò)對(duì)CPCF技術(shù)的概念與流程的總結(jié)，關(guān)鍵技術(shù)有連接器的設(shè)計(jì)、剩余推進(jìn)劑的排放、交叉增壓等，以及不同系統(tǒng)之間的性能對(duì)比分析與新型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這些大多是以系統(tǒng)整體概念設(shè)計(jì)為主。

為了具體分析CPCF技術(shù)系統(tǒng)流程的運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)開(kāi)展以水為工作介質(zhì)的縮比試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)中連接器的分離解鎖動(dòng)作、隔離閥的密封效果以及系統(tǒng)壓力參數(shù)的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，為了建立關(guān)于交叉輸送系統(tǒng)的模型，需要結(jié)合仿真軟件對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)變化進(jìn)行分析。Schwanekamp針對(duì)不同流程，利用PMP和EcosimPro分別對(duì)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種運(yùn)行工況進(jìn)行了參數(shù)分析；湯波等計(jì)算分析了交叉輸送系統(tǒng)中的總體參數(shù)，并用flow-3D模擬研究了貯箱的晃動(dòng)特性；馬方超等利用AMEsim建立了地面試驗(yàn)系統(tǒng)方案仿真模型；Nguyen等利用EASY5仿真軟件建立了交叉輸送系統(tǒng)的增壓模型，模型預(yù)測(cè)與縮比試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，進(jìn)一步地分析研究了液氫液氧作為低溫推進(jìn)劑的原尺寸兩級(jí)入軌可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的增壓系統(tǒng)，其中止回閥用于兩級(jí)之間的隔離閥，工作壓差為103 kPa。

綜上，目前對(duì)于CPCF技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)流程整體參數(shù)的設(shè)計(jì)分析，對(duì)于低溫推進(jìn)劑在交叉輸送系統(tǒng)管路中雙隔離閥的流場(chǎng)特性和管路設(shè)計(jì)的分析研究相對(duì)較少。本文基于CPCF技術(shù)的基本運(yùn)行原理，選擇具有代表性的液氧作為介質(zhì)，利用被廣泛應(yīng)用于對(duì)閥門(mén)等設(shè)備流場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和性能分析的Flow simulation工程仿真軟件模擬分析在不同關(guān)閥角度下的不同閥門(mén)間距、閥門(mén)口徑以及閥門(mén)壓差對(duì)交叉輸送管路流場(chǎng)特性的影響。

2 系統(tǒng)原理

本文以CPCF系統(tǒng)的常見(jiàn)形式——管線-管線型為研究對(duì)象，運(yùn)行原理如圖1所示。助推級(jí)分離前，閥門(mén)切換狀態(tài)為:燃料管路隔離閥1和3打開(kāi)，燃料切斷閥8關(guān)閉；氧化劑管路隔離閥4和6打開(kāi)，氧化劑切斷閥7關(guān)閉。助推級(jí)貯箱11和12將燃料和氧化劑分別輸送到助推級(jí)和芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，此過(guò)程中芯級(jí)貯箱始終保持滿液狀態(tài)。當(dāng)助推級(jí)貯箱推進(jìn)劑消耗完后，分離裝置2和5進(jìn)行解鎖分離，將助推級(jí)無(wú)效死重拋離。閥門(mén)切換狀態(tài)為:芯級(jí)管路切斷閥7和8打開(kāi)，隔離閥3和6關(guān)閉；助推級(jí)管路隔離閥1和4關(guān)閉。芯級(jí)貯箱13和14繼續(xù)為芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)提供推進(jìn)劑進(jìn)行下階段飛行。

圖1 CPCF管線-管線型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the line-line type CPCF

從運(yùn)行原理可知，系統(tǒng)核心管路包括兩側(cè)隔離閥即助推級(jí)側(cè)隔離閥1(4)、芯級(jí)側(cè)隔離閥3(6)以及中間的連接分離裝置2(5)，如圖2所示。其中芯級(jí)和助推級(jí)兩側(cè)的隔離閥門(mén)的快速關(guān)閉動(dòng)作是影響CPCF管路系統(tǒng)壓力波動(dòng)的主要因素之一。隔離閥門(mén)的開(kāi)閉切換引起的瞬變流會(huì)導(dǎo)致管路系統(tǒng)流場(chǎng)的波動(dòng)，這種波動(dòng)如果不能得到有效抑制，將對(duì)連接分離裝置的可靠性、分離后隔離閥門(mén)的密封性帶來(lái)危害，同時(shí)推進(jìn)劑流體本身會(huì)將這種波動(dòng)擴(kuò)散至發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。通常情況下，推進(jìn)劑由助推級(jí)流向芯級(jí)側(cè)，則芯級(jí)側(cè)隔離閥處于助推級(jí)側(cè)隔離閥下游處，其工況將受到上游助推級(jí)隔離閥的影響。當(dāng)助推級(jí)分離動(dòng)作開(kāi)始啟動(dòng)后，芯級(jí)貯箱的推進(jìn)劑將輸送給芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，此時(shí)需要芯級(jí)系統(tǒng)及時(shí)匹配輸送管路推進(jìn)劑的流量、流速以及壓力波動(dòng)等參數(shù)，保證推進(jìn)劑輸送穩(wěn)定，從而保證芯級(jí)繼續(xù)飛行。本文將針對(duì)核心管路中隔離閥的閥門(mén)間距、閥門(mén)口徑以及閥門(mén)壓差在不同關(guān)閥角度下對(duì)芯級(jí)側(cè)管路的流場(chǎng)影響進(jìn)行模擬分析。

圖2 CPCF核心管路示意圖Fig.2 Schem atic diagram of the CPCF core pipeline

3 模擬分析

3.1 物理模型

為減小隔離閥進(jìn)出口管路長(zhǎng)度對(duì)流場(chǎng)的影響，將入口段管路長(zhǎng)度設(shè)置為閥門(mén)口徑的5倍，出口段管路長(zhǎng)度設(shè)置為閥門(mén)口徑的12倍左右，最終簡(jiǎn)化三維模型，如圖3所示，D為流道直徑，l為雙隔離閥門(mén)的間矩。網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)閥門(mén)附近流場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)行加密，改變閥門(mén)間距和口徑時(shí)網(wǎng)格數(shù)相應(yīng)改變，劃分原則不變。不考慮重力和溫度影響，介質(zhì)為液氧，隔離閥形式為蝶閥，入口壓力為0.85 MPa，出口壓力為0.8 MPa、0.75 MPa、0.7 MPa和0.65 MPa?？紤]到與芯級(jí)管路連接的實(shí)際可能的安裝空間和位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在芯級(jí)側(cè)隔離閥后500 mm處。

圖3 雙蝶閥流場(chǎng)模型Fig.3 Flow field model of the double butterfly valve

3.2 模擬結(jié)果及分析

3.2.1 閥門(mén)間距

CPCF核心管路的助推級(jí)側(cè)隔離閥和芯級(jí)側(cè)隔離閥之間的管段間距設(shè)計(jì)需要兼顧安裝連接分離裝置的空間以及對(duì)芯級(jí)側(cè)流場(chǎng)參數(shù)的影響，因此需要設(shè)置合理的兩側(cè)閥門(mén)安裝間距。基于DN200隔離閥，進(jìn)出口壓力分別為0.85 MPa和0.8 MPa，2個(gè)隔離閥中心之間的距離即閥門(mén)間距l(xiāng)依次取為400 mm、600 mm和800 mm。計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示，對(duì)于雙蝶閥而言，隨著閥門(mén)間距的變化，在相同關(guān)閥角度下芯級(jí)側(cè)隔離閥后500 mm處的平均流速和平均壓力基本不變。這可能是芯級(jí)側(cè)隔離閥對(duì)其閥后流場(chǎng)起到主導(dǎo)作用，并將其上游處的流場(chǎng)進(jìn)行了重新構(gòu)建。這2個(gè)參數(shù)的變化趨勢(shì)為:當(dāng)關(guān)閥角度逐漸增大時(shí)，芯級(jí)側(cè)隔離閥后一定距離位置處的流場(chǎng)參數(shù)變化斜率都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，即當(dāng)關(guān)閥角度較小時(shí)(小于40°左右)，芯級(jí)側(cè)隔離閥后的流場(chǎng)受到影響較強(qiáng)；而當(dāng)關(guān)閥角度較大時(shí)(大于60°左右)，芯級(jí)側(cè)隔離閥后的流場(chǎng)受到的影響較弱。這就表明閥門(mén)間距對(duì)芯級(jí)側(cè)隔離閥后的流場(chǎng)基本沒(méi)有產(chǎn)生影響。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于閥門(mén)的關(guān)閥角度在較小情況下，流通面積較大，管路流量較大；關(guān)閥角度較大情況下，流通面積較小，管路流量較小，盡管前者管路的阻抗系數(shù)小于后者管路的阻抗系數(shù)，但是前者管路的流量要遠(yuǎn)大于后者管路的流量，并且雙隔離閥前后的壓力損失與流量的平方成正比。這就說(shuō)明流量的變化影響要大于管路阻抗的變化影響，從而導(dǎo)致關(guān)閥角度較小情況下的芯級(jí)側(cè)隔離閥后的壓力下降幅度更大。而對(duì)于平均流速，根據(jù)連續(xù)性方程可知，管路截面積不變，在關(guān)閥角度較小的情況下，流量變化大，導(dǎo)致其流速的變化幅度比在關(guān)閥角度較大的情況下的流速變化幅度大。

3.2.2 閥門(mén)口徑

在CPCF核心管路系統(tǒng)中推進(jìn)劑加注需要滿足大流量要求，一般口徑較大，流速較大。在分析這一因素時(shí)，保證助推級(jí)和芯級(jí)兩側(cè)的隔離閥間距一致，同時(shí)保證連接分離裝置的安裝空間，將閥門(mén)間距設(shè)置為600 mm。對(duì)于雙蝶閥關(guān)閥過(guò)程，進(jìn)出口壓力分別為0.85 MPa和0.8 MPa，如圖6和圖7所示，隨著關(guān)閥角度逐漸增大，不同口徑的芯級(jí)側(cè)隔離閥后500 mm處流體的平均流速和平均壓力均先迅速減小，后緩慢減小。相同關(guān)閥角度下，閥門(mén)口徑越大，芯級(jí)側(cè)隔離閥后500 mm處的平均流速和平均壓力越大。從圖8所示的液氧流量變化來(lái)看，隨著閥門(mén)口徑的增大，在相同關(guān)閥角度下，其流量增大幅度也隨之增大，特別是在較大關(guān)閥角度下，口徑的影響作用更加明顯?？赡茉蚴窃谙嗤P(guān)閥角度下，口徑變大，其流通面積增大，阻力減小，過(guò)流能力增大。這就表明，雖然口徑的變化對(duì)于芯級(jí)側(cè)隔離閥后的平均流速和平均壓力值影響程度較小，但是對(duì)于推進(jìn)劑的輸送流量的影響明顯，也就是說(shuō)對(duì)于不同口徑的推進(jìn)劑輸送流量的調(diào)節(jié)匹配方式需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整?？趶皆酱?，隨著關(guān)閥角度的增大，其流量減小幅度越大，芯級(jí)側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的可利用推進(jìn)劑流量減小越多，推力降低幅度越大。

圖4 DN200雙蝶閥不同間距的芯級(jí)側(cè)隔離閥后位置500 mm處的平均流速Fig.4 M ean velocity at 500mm behind the core stage isolation valve of the DN200 double butterfly valve w ith different valve installation distances

圖5 DN200雙蝶閥不同間距的芯級(jí)側(cè)隔離閥后位置500 mm處的平均壓力Fig.5 M ean pressure at 500 mm behind the core stage isolation valve of the DN200 double butterfly valve w ith different valve installation distances

3.2.3 閥門(mén)壓差

圖6 雙蝶閥不同口徑的芯級(jí)側(cè)隔離閥后500 mm處的平均流速Fig.6 M ean velocity at500mm behind the core stage isolation valve of the DN200 double ball valve w ith different valve diameters

圖7 雙蝶閥不同口徑的芯級(jí)側(cè)隔離閥后500 mm處的平均壓力Fig.7 M ean pressure at 500 mm behind the core stage isolation valve of the DN200 double ball valve w ith different valve diameters

圖8 雙蝶閥不同口徑的液氧流量Fig.8 Liquid oxygen flow rate of the double butterfly valve w ith different valve diameters

CPCF技術(shù)的核心管路的雙蝶閥的進(jìn)出口壓差可能會(huì)由于系統(tǒng)整體運(yùn)行工況的調(diào)整發(fā)生改變。壓差的改變勢(shì)必會(huì)引起雙蝶閥管路的流場(chǎng)參數(shù)發(fā)生改變，會(huì)影響到芯級(jí)側(cè)管路的調(diào)節(jié)策略。因此，需要對(duì)不同壓差下的雙蝶閥管路流場(chǎng)進(jìn)行分析。管徑為DN200，閥門(mén)間距為600 mm，假定進(jìn)口壓力不變?yōu)?.85 MPa，出口壓力分別為0.8 MPa、0.75 MPa、0.7 MPa和0.65 MPa，即進(jìn)出口壓差依次為50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa。圖9～圖11依次為不同壓差下的雙蝶閥管路芯級(jí)側(cè)隔離閥后500 mm處的平均流速和平均壓力變化曲線以及管路流量變化曲線。在相同的關(guān)閥區(qū)間內(nèi)，隨著閥門(mén)壓差的增大，芯級(jí)側(cè)隔離閥后的流場(chǎng)參數(shù)減小幅度增大。例如關(guān)閥角度從20°至40°，其平均流速、平均壓力以及流量的減小幅度隨著壓差增大而增大。而關(guān)閥角度從60°至80°這一區(qū)間，各種壓差下的芯級(jí)側(cè)隔離閥后500mm處的平均壓力基本無(wú)變化。這可能是當(dāng)隔離閥關(guān)閥角度在較大情況下，其在這區(qū)間內(nèi)的流動(dòng)阻力都很大，調(diào)節(jié)能力微弱；而關(guān)閥較小的情況下，隔離閥具有較好的調(diào)節(jié)能力。從圖9和11所示的參數(shù)變化還可以觀察到，平均流速的變化趨勢(shì)與流量的變化趨勢(shì)一致，在相同關(guān)閥角度下，兩者增加幅度隨著壓差的增大而減小。這是因?yàn)榱髁颗c壓差的二分之一次方成正比，而流量與平均流速之間滿足連續(xù)性方程，流通面積保持不變，故兩者呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，當(dāng)壓差發(fā)生變化時(shí)，雙蝶閥管路的流場(chǎng)參數(shù)的調(diào)節(jié)需要進(jìn)行相應(yīng)的改變，這可以為給定交叉輸送管路幾何尺寸大小后的多運(yùn)行工況參數(shù)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

圖9 雙蝶閥不同壓差下的芯級(jí)側(cè)隔離閥后500 mm處的平均流速Fig.9 M ean velocity at 500mm behind the core stage isolation valve w ith different pressure differences

圖10 雙蝶閥不同壓差下的芯級(jí)側(cè)隔離閥后500 mm處的平均壓力Fig.10 Mean pressure at 500 mm behind the core stage isolation valve w ith different pressure differences

圖11 雙蝶閥不同壓差下的液氧流量Fig.11 Liquid oxygen flow rate of the double butterfly valve w ith different pressure differences

4 結(jié)論

1)閥門(mén)間距對(duì)雙蝶閥管路的流場(chǎng)特性基本沒(méi)有影響，即對(duì)芯級(jí)側(cè)管路基本沒(méi)有影響，因此在安裝雙蝶閥時(shí)，只需考慮管路設(shè)計(jì)能否滿足閥門(mén)的安裝空間大小。

2)交叉輸送核心管路芯級(jí)側(cè)隔離閥后的平均流速、平均壓力和流量隨著關(guān)閥角度的增大，其減小的幅度相應(yīng)減小，這就表明雙蝶閥形式的輸送管路在其關(guān)閥角度較小時(shí)的調(diào)節(jié)能力要強(qiáng)于其在較大關(guān)閥角度的調(diào)節(jié)能力。

3)在相同閥門(mén)間距和壓差的情況下，隨著閥門(mén)口徑的增大，芯級(jí)側(cè)隔離閥后的平均流速和平均壓力減小幅度基本一致，然而流量變化有顯著差異，這就表明對(duì)于不同口徑的交叉輸送管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不同關(guān)閥角度下流量參數(shù)調(diào)節(jié)匹配需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，相應(yīng)的芯級(jí)側(cè)動(dòng)力系統(tǒng)需要參考此流量變化來(lái)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

4)在相同閥門(mén)間距和閥門(mén)口徑的情況下，在相同的關(guān)閥區(qū)間內(nèi)，隨著閥門(mén)進(jìn)出口壓差的增大，芯級(jí)側(cè)隔離閥后的流場(chǎng)參數(shù)減小幅度增大；此外，在相同關(guān)閥角度下，芯級(jí)側(cè)隔離閥后的平均流速和流量隨著壓差的增大，其增大幅度反而減小。因此，在給定交叉輸送管路幾何尺寸大小的情況下，壓差發(fā)生變化時(shí)，雙蝶閥管路的流場(chǎng)參數(shù)的調(diào)節(jié)需要進(jìn)行相應(yīng)的改變；尤其對(duì)于液氧輸送流量需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)依據(jù)其不同壓差下的流量變化響應(yīng)規(guī)律對(duì)交叉輸送系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)作出相應(yīng)設(shè)計(jì)，從而適應(yīng)多工況下的可靠運(yùn)行。

綜上所述，CPCF技術(shù)可以滿足未來(lái)深空探測(cè)需要的更高有效載荷和更低發(fā)射成本，隨著研究的逐步深入和技術(shù)的不斷成熟，該技術(shù)將在航空航天領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，本文的分析結(jié)果將為CPCF技術(shù)中核心管路的設(shè)計(jì)提供一定參考，未來(lái)將結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步驗(yàn)證與分析。