CN110487346A - 一种大流量低温推进剂供应管路用整流孔板及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大流量低温推进剂供应管路用整流孔板及其设计方法。通过使用该孔板，可在长度很短的流量计入口直管段就可实现大流量低温流体的流场调整。该孔板的流体入口表面为平面，所述孔板的流体出口表面为曲面。其设计方法包括以下步骤：【1】设计孔板的流体入口表面；【2】在孔板的流体入口表面确定多个流体通道入口所在位置；【3】设计孔板的流体出口表面；【4】通过孔板的流体入口表面和孔板的流体出口表面构建孔板。

Description

一种大流量低温推进剂供应管路用整流孔板及其设计方法

技术领域

本发明属于流体供应技术领域，具体涉及一种大流量低温推进剂供应管路用整流孔板及其设计方法。

背景技术

在流体供应领域以及液体火箭发动机试验领域，经常会存在涡轮流量计与管路上游截止阀距离近，不能满足流量计入口直管段要求，流量测量精度受影响的情况。

为解决或改善该问题，工程中常用的方法是在阀门与流量计之间安装整流孔板，通过整流孔板调整管道流场，降低流量计对入口直管段长度的要求。当前常用的整流孔板均为多孔孔板(现有的多孔孔板为一块圆形板，圆形板上开设有多个圆形流体通道)，通过优化不同位置函数孔的孔径以改变孔板局部流阻，进而实现流场调节。但该类型孔板往往存在流通面积小，流阻大的问题，且各函数孔间过渡区域对流场的影响较大，孔板下游仍需要一定长度直管段才能达到流场稳定(一般要求直管段的长度与管道内径之比为10/1至20/1)。因此，对于一些空间受限的位置需要进行大流量低温流体整流时，现有孔板无法满足使用要求。

发明内容

为了克服背景技术中的问题，本发明提供了一种流体供应管道整流孔板，从而仅需长度很短的流量计入口直管段就可实现大流量低温流体的流场调整。

同时，本发明还提供了该孔板的设计方法。

本发明的具体技术方案是：

一种大流量低温推进剂供应管路用整流孔板，所述孔板为圆形，孔板上开设有多条圆形流体通道；其改进之处是：孔板的流体入口表面为平面，所述孔板的流体出口表面为曲面。

基于上述对整流孔板结构的描述，现对设计该孔板的方法进行描述，整流孔板的具体设计步骤如下：

【1】设计孔板的流体入口表面；

确定直径为D的圆形管道截面，作为孔板的流体入口表面；

【2】在孔板的流体入口表面确定多个流体通道入口所在位置；

【2.1】以流体入口表面的圆心为原点，分别以过圆心的横向中心线、纵向中心线作为X轴、Y轴，从而建立笛卡尔坐标系XYZ；其中Z＝0；

以笛卡尔坐标系的X轴为对称轴，绘制等距分布的多条横向分割线；以笛卡尔坐标系的Y轴为对称轴，绘制等距分布的多条纵向分割线；

【2.2】以多条纵向分割线和多条横向分割线的交点为中心，绘制直径为d的多个小圆孔，记小圆孔的坐标值为(X_i，Y_i，0)，所述小圆孔的坐标值即为流体通道的入口的位置，i为≥1的正整数，

其中，d≤D/20，相邻两个小圆孔之间最小中心距为S，1mm+d≤S≤2mm+d；

【3】设计孔板的流体出口表面

【3.1】在流体入口表面内，各小圆孔之间，划出与横坐标轴平行的多条横轴等距线以及与纵坐标轴平行的多条纵轴等距线，多条轴等距线和多条纵轴等距线构成多个正方形区域，每个小圆孔对应一个正方形区域，且小圆孔的中心位于其对应的正方形区域中心；

【3.2】通过CFD仿真分析获得圆形管道内在未安装孔板条件下扰流件出口截面处的压力分布，并获取多个小圆孔中任意一个小圆孔T对应的压力值P_T；所述扰流件为阀门或弯管；

【3.3】通过充分发展流计算公式计算经过小圆孔T中心点的流速u_(i,j)以及小圆孔T所在正方形区域的流量Q_(i,j)；

具体计算公式为：

式中，Q为通过圆形管道截面的介质流量；

A为圆形管道截面积

R为流体入口表面半径，即R＝D/2

n为与流体雷诺数Re相关的指数；

【3.4】根据步骤【3.3】的流速u_(i,j)，按照多个流体通道分布规律，求取小圆孔T中心点经整流修正后的流速u_1(i,j)，即就是小圆孔T中心点在孔板的流体出口表面所对应的流速；

其中为流量整流修正系数，具体计算公式为：

其中，s为小圆孔T的面积；

【3.5】求取小圆孔T对应的流体通道长度L；

具体计算公式为：

式中：λ_T为小圆孔T处的沿程流阻系数，取值为0.02；

ΔP_T为小圆孔T处的流阻；

∑ζ_T为小圆孔T处的局部流阻系数总和；

d为小圆孔T直径；

ρ为流体密度；

【3.6】求取小圆孔T中心点在孔板的流体出口表面所对应坐标值；由于流体在管道内是以直线进行运动，因此小圆孔T中心点坐标值在经历长度为L的流道后坐标值为(X_i，Y_i，Z_i)；其中，Z_i＝0+L；

【3.7】重复步骤【3.2】至【3.6】，求解出所有小圆孔中心点在孔板的流体出口表面所对应坐标值；

【3.8】通过将步骤【3.7】中所有小圆孔中心点在孔板的流体出口表面所对应坐标值进行拟合得到孔板的流体出口表面面型；

【4】通过孔板的流体入口表面和孔板的流体出口表面构建孔板。

本发明的有益效果是：

本发明根据充分发展流管路流场规律，修正流场调整元件型面，所得到的流场调整元件与具体管道使用工况相适应，流场调节精度高(优于3％)；本发明所述整流孔板与管道连接件可采用环焊接的方式固定成一个整体，不存在活动部件，对低温环境具有较强的适用性。

附图说明

图1为本发明孔板的剖视图。

图2为孔板的设计过程示意图。

附图标记如下：

1-流体入口表面、2-流体出口表面、3-纵向分割线、4-横向分割线、5-小圆孔、6-横轴等距线、7-纵轴等距线、8-正方形区域、9-流体通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种大流量低温推进剂供应管路用整流孔板及其设计方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如图1所示，一种大流量低温推进剂供应管路用整流孔板，孔板为圆形，孔板上开设有多条圆形流体通道9；孔板的流体入口表面1为平面，所述孔板的流体出口表面2为曲面。本实施例中通过对通常为整流孔板流体出口表面的面型进行优化设计，从而使得仅需长度很短的流量计入口直管段就可实现大流量低温流体的流场调整。

基于上述对整流孔板结构的描述，现对设计该整流孔板的设计方法进行描述：

该方法基本设计思路是结合管道流场CFD仿真分析结果与充分发展流管道流速分布规律进行整流孔板设计。

如图2所示，整流孔板的具体设计步骤如下：

步骤【1】设计孔板的流体入口表面1；

确定直径为D的圆形管道截面，作为孔板的流体入口表面1；

步骤【2】在孔板的流体入口表面1确定多个流体通道入口所在位置；

步骤【2.1】以流体入口表面的圆心为原点，分别以过圆心的横向中心线、纵向中心线作为X轴、Y轴，从而建立笛卡尔坐标系XYZ；其中Z＝0；

以笛卡尔坐标系的X轴为对称轴，绘制等距分布的多条横向分割线4；以笛卡尔坐标系的Y轴为对称轴，绘制等距分布的多条纵向分割线3；

步骤【2.2】以多条纵向分割线4和多条横向分割线3的交点为中心，绘制直径为d的多个小圆孔5，记小圆孔的坐标值为(X_i，Y_i，0)，所述小圆孔的坐标值即为流体通道的入口的位置，i为≥1的正整数，

其中，d≤D/20，相邻两个小圆孔之间最小中心距为S，1mm+d≤S≤2mm+d；

步骤【3】设计孔板的流体出口表面

步骤【3.1】在流体入口表面内，各小圆孔之间，划出与横坐标轴平行的多条横轴等距线6以及与纵坐标轴平行的多条纵轴等距线7，多条轴等距线6和多条纵轴等距线7构成多个正方形区域8，每个小圆孔5对应一个正方形区域8，且小圆孔5的中心位于其对应的正方形区域8中心；

步骤【3.2】通过CFD仿真分析获得圆形管道内在未安装孔板条件下扰流件出口截面处的压力分布，并获取多个小圆孔中任意一个小圆孔T对应的压力值P_T；所述扰流件为阀门或弯管；

步骤【3.3】通过充分发展流计算公式计算经过小圆孔T中心点的流速u_(i,j)以及小圆孔T所在正方形区域的流量Q_(i,j)；

具体计算公式为：

式中，Q为通过圆形管道截面的介质流量；

A为圆形管道截面积

R为流体入口表面半径，即R＝D/2

n为与流体雷诺数Re相关的指数；

具体对应关系见下表，通过求解雷诺数，再根据差值法即可得出相对应的指数n；

步骤【3.4】根据步骤【3.3】的流速u_(i,j)，按照多个流体通道分布规律，求取小圆孔T中心点经整流修正后的流速u_1(i,j)，即就是小圆孔T中心点在孔板的流体出口表面所对应的流速；

其中为流量整流修正系数，具体计算公式为：

其中，s为小圆孔T的面积；

步骤【3.5】求取小圆孔T对应的流体通道长度L；

具体计算公式为：

式中：λ_T为小圆孔T处的沿程流阻系数，取值为0.02；

ΔP_T为小圆孔T处的流阻；

∑ζ_T为小圆孔T处的局部流阻系数总和；

d为小圆孔T直径；

ρ为流体密度；

步骤【3.6】求取小圆孔T中心点在孔板的流体出口表面所对应坐标值；由于流体在管道内是以直线进行运动，因此小圆孔T中心点坐标值在经历长度为L的流道后坐标值为(X_i，Y_i，Z_i)；其中，Z_i＝0+L；

步骤【3.7】重复步骤【3.2】至【3.6】，求解出所有小圆孔中心点在孔板的流体出口表面所对应坐标值；

步骤【3.8】通过将步骤【3.7】中所有小圆孔中心点在孔板的流体出口表面所对应坐标值进行拟合得到孔板的流体出口表面面型；

步骤【4】通过孔板的流体入口表面和孔板的流体出口表面构建孔板。

最后所应说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (2)

1.一种大流量低温推进剂供应管路用整流孔板，所述孔板为圆形，孔板上开设有多条圆形流体通道；其特征在于：孔板的流体入口表面为平面，所述孔板的流体出口表面为曲面。

2.一种大流量低温推进剂供应管路用整流孔板的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】设计孔板的流体入口表面；

确定直径为D的圆形管道截面，作为孔板的流体入口表面；

【2】在孔板的流体入口表面确定多个流体通道入口所在位置；

【2.1】以流体入口表面的圆心为原点，分别以过圆心的横向中心线、纵向中心线作为X轴、Y轴，从而建立笛卡尔坐标系XYZ；其中Z＝0；

以笛卡尔坐标系的X轴为对称轴，绘制等距分布的多条横向分割线；以笛卡尔坐标系的Y轴为对称轴，绘制等距分布的多条纵向分割线；

【2.2】以多条纵向分割线和多条横向分割线的交点为中心，绘制直径为d的多个小圆孔，记小圆孔的坐标值为(X_i，Y_i，0)，所述小圆孔的坐标值即为流体通道的入口的位置，i为≥1的正整数，

其中，d≤D/20，相邻两个小圆孔之间最小中心距为S，1mm+d≤S≤2mm+d；

【3】设计孔板的流体出口表面；

【3.1】在流体入口表面内，各小圆孔之间，划出与横坐标轴平行的多条横轴等距线以及与纵坐标轴平行的多条纵轴等距线，多条轴等距线和多条纵轴等距线构成多个正方形区域，每个小圆孔对应一个正方形区域，且小圆孔的中心位于其对应的正方形区域中心；

【3.2】通过CFD仿真分析获得圆形管道内在未安装孔板条件下扰流件出口截面处的压力分布，并获取多个小圆孔中任意一个小圆孔T对应的压力值P_T；所述扰流件为阀门或弯管；

【3.3】通过充分发展流计算公式计算经过小圆孔T中心点的流速u_(i,j)以及小圆孔T所在正方形区域的流量Q_(i,j)；

具体计算公式为：

式中，Q为通过圆形管道截面的介质流量；

A为圆形管道截面积

R为流体入口表面半径，即R＝D/2

n为与流体雷诺数Re相关的指数；

【3.4】根据步骤【3.3】的流速u_(i,j)，按照多个流体通道分布规律，求取小圆孔T中心点经整流修正后的流速u_1(i,j)，即就是小圆孔T中心点在孔板的流体出口表面所对应的流速；

其中为流量整流修正系数，具体计算公式为：

其中，s为小圆孔T的面积；

【3.5】求取小圆孔T对应的流体通道长度L；

具体计算公式为：

式中：λ_T为小圆孔T处的沿程流阻系数，取值为0.02；

ΔP_T为小圆孔T处的流阻；

∑ζ_T为小圆孔T处的局部流阻系数总和；

d为小圆孔T直径；

ρ为流体密度；

【3.6】求取小圆孔T中心点在孔板的流体出口表面所对应坐标值；由于流体在管道内是以直线进行运动，因此小圆孔T中心点坐标值在经历长度为L的流道后坐标值为(X_i，Y_i，Z_i)；其中，Z_i＝0+L；

【3.7】重复步骤【3.2】至【3.6】，求解出所有小圆孔中心点在孔板的流体出口表面所对应坐标值；

【3.8】通过将步骤【3.7】中所有小圆孔中心点在孔板的流体出口表面所对应坐标值进行拟合得到孔板的流体出口表面面型；

【4】通过孔板的流体入口表面和孔板的流体出口表面构建孔板。