CN113673178B - 一种基于cfd仿真的注气式蓄压器动特性获取方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取方法，属于火箭POGO抑制设计技术领域。本申请针对大容积注气式蓄压器难以通过系统激振测定特性参数的问题，提出了采用基于CFD的蓄压器特性获取方法，通过流场仿真可以捕捉到压力脉动作用下蓄压器内的局部状态变化，包括切向流小孔非线性阻尼、非稳态气枕成分变化等，为研究蓄压器的非线性特性提供一种有效的途径，也有助于精简地面试验项目。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取方法，属于火箭POGO抑制设计技术领域。
背景技术
注气式蓄压器是一种液体运载火箭的POGO抑制装置，一般安装于发动机氧泵前，蓄压器工作过程中有气体供应并维持一定容积的气枕，气体与推进剂直接接触，气液界面一般较为稳定。注气式蓄压器通过改变推进系统动态特性，从而提高全箭POGO稳定性。注气式蓄压器动特性参数主要包括蓄压器柔度、惯性、阻力系数等，这些参数共同决定了蓄压器的工作性能。注气式蓄压器惯性可通过理论公式计算得出，但柔度和阻力系数目前还没有一套成熟的方法来获取。
注气式蓄压器通过小孔将蓄压器气腔与输送管相沟通，蓄压器工作过程中，小孔附近的流场极为复杂，既有脉动压力驱动的进出蓄压器的脉动流量，也有湍流引起的脉动流量，同时主管路内流动对小孔来说是切向流动，从而导致蓄压器的阻力系数与流动紧密耦合。注气式蓄压器内增压气体通常与低温推进剂直接接触，气腔内为增压气体与推进剂蒸汽的混合物，混合气体参数受混合气体成分及状态的影响，因此通常将混合气体的比热比假定为常数的处理方式可能存在较大偏差。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取方法，通过流场仿真可以捕捉到压力脉动作用下蓄压器内的局部状态变化，包括切向流小孔非线性阻尼、非稳态气枕成分变化等，为研究蓄压器的非线性特性提供一种有效的途径，也有助于精简地面试验项目。
本发明的技术解决方案是：一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取方法，包括如下步骤：
建立蓄压器内流动的数学物理模型；
建立注气式蓄压器和安装管路结构模型、计算域，并划分网格；
针对蓄压器内气-液传热传质、气-气混合建立仿真模型；
通过试验数据进行仿真模型及方法的优化验证；
使用经试验结果标定过的模型参数，进行注气式蓄压器内不可压缩非定常两相流CFD计算；通过仿真计算，得到蓄压器工作过程中两相浓度场、速度场、压力场、温度场的分布，获取蓄压器的动特性，包括脉动压力、阻尼特性和柔度特性。
进一步地，采用Catia或ProE三维建模软件对注气式蓄压器和连接管路进行三维建模；采用SpaceClaim软件对三维模型进行前处理并提取流体计算域；采用ICEM软件对计算域进行网格划分。
进一步地，网格划分中建立不同的块，并建立好对应的边界条件；壁面边界采用wall形式；质量流率入口边界采用mass flow inlet形式；压力出口边界采用pressureoutlet形式。
进一步地，所述建立仿真模型包括网格无关性验证、两相流仿真方法适用性研究、湍流模型适用性研究。
进一步地，所述通过试验数据进行仿真模型及方法的优化验证包括如下步骤：
选取若干试验工况，建立流场结构网格并进行三维非定常CFD计算；进行三维非定常CFD计算时，具体包括：
计算参数设置，包括：
选取计算模式为密度基：density-based；
选取计算模式为非定常：transient；
选取气体状态方程：氧气密度计算采用理想气体模型描述；氦气的密度采用基于温度的NIST数据库，并以UDF的形式串入计算程序。
在研究蓄压器气枕特性中采用混合模型：Mixture Model；
第一相选取蒸发的推进剂；第二相选取增压气体介质；液体推进剂转化的气体量同时考虑液体的蒸发和气体的冷凝过程；
在研究蓄压器阻尼特性中采用VOF模型；液相为液体推进剂；采用自动初始化，对液体区域赋值液氧体积分数为1，气体区域赋值液氧体积分数为0；
激活能量方程：energy on；
湍流模式选取为：k-ε；
激活压缩性影响compressibility effects；
选取离散型方程为一阶迎风格式；求解设置中，为减小残差等中间变量，各项系数都设置为0.1，增大迭代次数至200次以保证收敛性；
选取定步长计算方法：fixed time stepping method；
选取压力、流量对比观测点，包括：液体入口压力、入口流量、出口压力，气枕入口质量流率、入口压力、出口质量流率，联通孔外侧压力，联通孔内测压力，联通孔内质量流率。
调试以下参数：时间步长Ts和湍流模型参数；
以试验测量结果为基准，调整相关计算参数取值，使得计算结果吻合试验中预设观测点不同时刻的流量、压力分布规律以及压力脉动结果。
一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取系统，包括：
第一模块，建立蓄压器内流动的数学物理模型；
第二模块，建立注气式蓄压器和安装管路结构模型、计算域，并划分网格；
第三模块，针对蓄压器内气-液传热传质、气-气混合建立仿真模型；
第四模块，通过试验数据进行仿真模型及方法的优化验证；
第五模块，使用经试验结果标定过的模型参数，进行注气式蓄压器内不可压缩非定常两相流CFD计算；通过仿真计算，得到蓄压器工作过程中两相浓度场、速度场、压力场、温度场的分布，获取蓄压器的动特性，包括脉动压力、阻尼特性和柔度特性。
进一步地，采用Catia或ProE三维建模软件对注气式蓄压器和连接管路进行三维建模；采用SpaceClaim软件对三维模型进行前处理并提取流体计算域；采用ICEM软件对计算域进行网格划分。
进一步地，网格划分中建立不同的块，并建立好对应的边界条件；壁面边界采用wall形式；质量流率入口边界采用mass flow inlet形式；压力出口边界采用pressureoutlet形式。
进一步地，所述建立仿真模型包括网格无关性验证、两相流仿真方法适用性研究、湍流模型适用性研究；
进一步地，所述通过试验数据进行仿真模型及方法的优化验证包括如下步骤：
选取若干试验工况，建立流场结构网格并进行三维非定常CFD计算；进行三维非定常CFD计算时，具体包括：
计算参数设置，包括：
选取计算模式为密度基：density-based；
选取计算模式为非定常：transient；
选取气体状态方程：氧气密度计算采用理想气体模型描述；氦气的密度采用基于温度的NIST数据库，并以UDF的形式串入计算程序。
在研究蓄压器气枕特性中采用混合模型：Mixture Model；
第一相选取蒸发的推进剂；第二相选取增压气体介质；液体推进剂转化的气体量同时考虑液体的蒸发和气体的冷凝过程；
在研究蓄压器阻尼特性中采用VOF模型；液相为液体推进剂；采用自动初始化，对液体区域赋值液氧体积分数为1，气体区域赋值液氧体积分数为0；
激活能量方程：energy on；
湍流模式选取为：k-ε；
激活压缩性影响compressibility effects；
选取离散型方程为一阶迎风格式；求解设置中，为减小残差等中间变量，各项系数都设置为0.1，增大迭代次数至200次以保证收敛性；
选取定步长计算方法：fixed time stepping method；
选取压力、流量对比观测点，包括：液体入口压力、入口流量、出口压力，气枕入口质量流率、入口压力、出口质量流率，联通孔外侧压力，联通孔内测压力，联通孔内质量流率。
调试以下参数：时间步长Ts和湍流模型参数；
以试验测量结果为基准，调整相关计算参数取值，使得计算结果吻合试验中预设观测点不同时刻的流量、压力分布规律以及压力脉动结果。
一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取方法的步骤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过对蓄压器结构变化处、壁面边界等流场参数梯度变化大的区域进行CFD网格加密处理，较精确的获取了切向流小孔非线性阻尼，为研究蓄压器的非线性特性提供一种有效的途径。
(2)本发明通过三维非定常两相流动的CFD仿真计算，取得了压力脉动作用下蓄压器内非稳态气枕成分变化，较精确的获取了蓄压器整个工作剖面下的柔度特性。
(3)本发明通过计算仿真与地面试验相结合相验证的方法，地面试验结果标定仿真模型，仿真分析指导地面试验，达到了精简地面试验项目、完善计算仿真模型的效果。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为注气式蓄压器结构原理图；
注气式蓄压器结构原理图见图2，是一种环绕式的蓄压器。结构主要是由中心输送管、环形壳体、联通孔(多个)、注气装置和排气装置等组成。环形壳体内的液体通过联通孔与中心输送管液体相连。中心输送管管壁厚2.5mm，稳定液面位置距离蓄压器下底面300mm。通过注气入口A的持续供气和排气口B的持续排气，维持液面的稳定。
图3为本发明注气式蓄压器物理模型；
三维物理模型：由于注气式蓄压器结构的对称性，并且为了简化计算域，节省计算资源，采用面对称原理对原始模型进行1/2建模，见图3。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～3所示)：
(1)数学物理模型建立。根据低温注气式蓄压器连接输送管内压力脉动特点建立数学物理模型：蓄压器的压力脉动环境主要由箭体纵向结构模态振动、液体推进剂输送管路系统和液体发动机系统的耦合作用引起。蓄压器通过改变液路系统的阻尼、柔度等特性来确保液路频率与箭体结构频率错开，并消减系统的压力脉动。注气式蓄压器通过调整注气量来保证气液界面和气枕柔度，并且气枕内不可避免的具有液体推进剂的蒸发气体。经分析，建立气-液两相传热传质和气枕内气-气两相混合数学物理模型。
(2)计算域、边界条件建立。根据注气式蓄压器的结构形式(见图1)和安装管路结构形式，首先建立蓄压器-管路三维结构模型，并对物理模型进行合理简化形成计算域(见图2)。然后根据蓄压器工作条件分析确定仿真所需边界条件；最后对计算域进行网格划分，并对蓄压器结构变化处、壁面边界等流场参数梯度变化大的区域进行网格加密处理；
(3)仿真模型建立：针对蓄压器内气-液传热传质、气-气混合等物理现象建立仿真模型，包括网格无关性验证、两相流仿真方法适用性研究、湍流模型适用性研究等，为三维非定常两相流动的CFD计算做准备。
(4)仿真模型及方法验证、优化：通过试验数据进行仿真模型及方法的优化验证。选取几个试验工况参数，作为上述模型的边界条件输入，对蓄压器内的复杂流动开展仿真计算。以试验结果为标准，进行相应的子模型参数调整(主要包括计算介质物性参数、边界条件、气体状态模型、湍流模型参数、求解器参数、非定常时间步长等)，以对仿真模型及方法进行优化。
(5)使用经试验结果标定过的模型参数，进行注气式蓄压器内不可压缩非定常两相流CFD计算；通过仿真计算，得到蓄压器工作过程中两相浓度场、速度场、压力场、温度场等分布，分析得到蓄压器的动特性，包括脉动压力、阻尼特性和柔度特性。
在本申请实施例所提供的方案中，具体包括如下步骤：
(1)建立蓄压器内流动的数学物理模型。
注气式蓄压器通过调整注气量来保证气液界面和气枕柔度，并且气枕内不可避免的具有液体推进剂的蒸发气体，需要建立复杂的气-液两相传热传质和气枕内气-气两相混合数学物理模型。
(2)建立注气式蓄压器和安装管路结构模型、计算域，并划分网格。
采用Catia、ProE等三维建模软件对注气式蓄压器和连接管路进行三维建模，采用SpaceClaim软件对三维模型进行前处理并提取流体计算域。采用ICEM软件对计算域进行网格划分。网格划分中建立不同的块，并建立好对应的边界条件。壁面边界采用wall形式；质量流率入口边界采用mass flow inlet形式；压力出口边界采用pressure outlet形式。通过网格划分软件，根据蓄压器计算域的外形特征，在蓄压器计算域结构变化处、出流导管壁面处、进气口处等参数存在较大梯度变化的区域进行合理的网格加密，划分完成静态结构体网格。
(3)仿真模型建立：针对蓄压器内气-液传热传质、气-气混合等物理现象建立仿真模型，包括网格无关性验证、两相流仿真方法适用性研究、湍流模型适用性研究等，为三维非定常两相流动的CFD计算做准备。
(4)设定标准模型。选取几个试验工况，建立流场结构网格并进行三维非定常CFD计算；
计算参数设置，主要有：
选取计算模式为密度基：density-based；
选取计算模式为非定常：transient；
选取气体状态方程：氧气密度计算采用理想气体模型描述；氦气的密度采用基于温度的NIST数据库，并以UDF的形式串入计算程序。
在研究蓄压器气枕特性中采用混合模型：Mixture Model；
第一相选取蒸发的推进剂，如气氧。第二相选取增压气体介质，如氦气。液体推进剂转化的气体量同时考虑了液体的蒸发和气体的冷凝过程。
在研究蓄压器阻尼特性中采用VOF模型。液相为液体推进剂，如液氧。气相为氦气。采用自动初始化，对液体区域赋值液氧体积分数为1，气体区域赋值液氧体积分数为0。
激活能量方程：energy on；
湍流模式选取为：k-ε；
激活压缩性影响compressibility effects；
选取离散型方程为一阶迎风格式；求解设置中，为减小残差等中间变量，各项系数都设置为0.1，增大迭代次数至200次以保证收敛性。
选取定步长计算方法：fixed time stepping method；
选取压力、流量对比观测点，主要为：
液体入口压力、入口流量、出口压力，气枕入口质量流率、入口压力、出口质量流率，联通孔外侧压力，联通孔内测压力，联通孔内质量流率。
调试以下参数：
时间步长Ts；
湍流模型参数；
以试验测量结果为基准，调整相关计算参数取值，使得计算结果吻合试验中主要观测点不同时刻的流量、压力分布规律以及压力脉动结果。
(6)使用经试验结果标定过的模型参数，进行注气式蓄压器内不可压缩非定常两相流CFD计算；
(7)仿真得到蓄压器工作过程中两相浓度场、速度场、压力场、温度场等分布，分析得到蓄压器的动特性，包括脉动压力、阻尼特性和柔度特性。
本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立蓄压器内流动的数学物理模型；
建立注气式蓄压器和安装管路结构模型、计算域，并划分网格；
针对蓄压器内气-液传热传质、气-气混合建立仿真模型；
通过试验数据进行仿真模型及方法的优化验证；
使用经试验结果标定过的模型参数，进行注气式蓄压器内不可压缩非定常两相流CFD计算；通过仿真计算，得到蓄压器工作过程中两相浓度场、速度场、压力场、温度场的分布，获取蓄压器的动特性，包括脉动压力、阻尼特性和柔度特性；
所述通过试验数据进行仿真模型及方法的优化验证包括如下步骤：
选取若干试验工况，建立流场结构网格并进行三维非定常CFD计算；进行三维非定常CFD计算时，具体包括：
计算参数设置，包括：
选取计算模式为密度基：density-based；
选取计算模式为非定常：transient；
选取气体状态方程：氧气密度计算采用理想气体模型描述；氦气的密度采用基于温度的NIST数据库，并以UDF的形式串入计算程序；
在研究蓄压器气枕特性中采用混合模型：Mixture Model；
第一相选取蒸发的推进剂；第二相选取增压气体介质；液体推进剂转化的气体量同时考虑液体的蒸发和气体的冷凝过程；
在研究蓄压器阻尼特性中采用VOF模型；液相为液体推进剂；采用自动初始化，对液体区域赋值液氧体积分数为1，气体区域赋值液氧体积分数为0；
激活能量方程：energy on；
湍流模式选取为：k-ε；
激活压缩性影响compressibility effects；
选取离散型方程为一阶迎风格式；求解设置中，为减小残差等中间变量，各项系数都设置为0.1，增大迭代次数至200次以保证收敛性；
选取定步长计算方法：fixed time stepping method；
选取压力、流量对比观测点，包括：液体入口压力、入口流量、出口压力，气枕入口质量流率、入口压力、出口质量流率，联通孔外侧压力，联通孔内测压力，联通孔内质量流率；
调试以下参数：时间步长Ts和湍流模型参数；
以试验测量结果为基准，调整相关计算参数取值，使得计算结果吻合试验中预设观测点不同时刻的流量、压力分布规律以及压力脉动结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取方法，其特征在于，采用Catia或ProE三维建模软件对注气式蓄压器和连接管路进行三维建模；采用SpaceClaim软件对三维模型进行前处理并提取流体计算域；采用ICEM软件对计算域进行网格划分。
3.根据权利要求2所述的一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取方法，其特征在于，网格划分中建立不同的块，并建立好对应的边界条件；壁面边界采用wall形式；质量流率入口边界采用mass flowinlet形式；压力出口边界采用pressure outlet形式。
4.根据权利要求1所述的一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取方法，其特征在于：所述建立仿真模型包括网格无关性验证、两相流仿真方法适用性研究、湍流模型适用性研究。
5.一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取系统，其特征在于，包括：
第一模块，建立蓄压器内流动的数学物理模型；
第二模块，建立注气式蓄压器和安装管路结构模型、计算域，并划分网格；
第三模块，针对蓄压器内气-液传热传质、气-气混合建立仿真模型；
第四模块，通过试验数据进行仿真模型及方法的优化验证；
第五模块，使用经试验结果标定过的模型参数，进行注气式蓄压器内不可压缩非定常两相流CFD计算；通过仿真计算，得到蓄压器工作过程中两相浓度场、速度场、压力场、温度场的分布，获取蓄压器的动特性，包括脉动压力、阻尼特性和柔度特性；
所述建立仿真模型包括网格无关性验证、两相流仿真方法适用性研究、湍流模型适用性研究；
所述通过试验数据进行仿真模型及方法的优化验证包括如下步骤：
选取若干试验工况，建立流场结构网格并进行三维非定常CFD计算；进行三维非定常CFD计算时，具体包括：
计算参数设置，包括：
选取计算模式为密度基：density-based；
选取计算模式为非定常：transient；
选取气体状态方程：氧气密度计算采用理想气体模型描述；氦气的密度采用基于温度的NIST数据库，并以UDF的形式串入计算程序；
在研究蓄压器气枕特性中采用混合模型：Mixture Model；
第一相选取蒸发的推进剂；第二相选取增压气体介质；液体推进剂转化的气体量同时考虑液体的蒸发和气体的冷凝过程；
在研究蓄压器阻尼特性中采用VOF模型；液相为液体推进剂；采用自动初始化，对液体区域赋值液氧体积分数为1，气体区域赋值液氧体积分数为0；
激活能量方程：energy on；
湍流模式选取为：k-ε；
激活压缩性影响compressibility effects；
选取离散型方程为一阶迎风格式；求解设置中，为减小残差等中间变量，各项系数都设置为0.1，增大迭代次数至200次以保证收敛性；
选取定步长计算方法：fixed time stepping method；
选取压力、流量对比观测点，包括：液体入口压力、入口流量、出口压力，气枕入口质量流率、入口压力、出口质量流率，联通孔外侧压力，联通孔内测压力，联通孔内质量流率；
调试以下参数：时间步长Ts和湍流模型参数；
以试验测量结果为基准，调整相关计算参数取值，使得计算结果吻合试验中预设观测点不同时刻的流量、压力分布规律以及压力脉动结果。
6.根据权利要求5所述的一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取系统，其特征在于，采用Catia或ProE三维建模软件对注气式蓄压器和连接管路进行三维建模；采用SpaceClaim软件对三维模型进行前处理并提取流体计算域；采用ICEM软件对计算域进行网格划分。
7.根据权利要求6所述的一种基于CFD仿真的注气式蓄压器动特性获取系统，其特征在于，网格划分中建立不同的块，并建立好对应的边界条件；壁面边界采用wall形式；质量流率入口边界采用mass flowinlet形式；压力出口边界采用pressure outlet形式。
8.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～权利要求4任一所述方法的步骤。
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| CN202110808087.5A CN113673178B (zh) | 2021-07-16 | 2021-07-16 | 一种基于cfd仿真的注气式蓄压器动特性获取方法 |
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| WO2016169249A1 (zh) * | 2015-04-21 | 2016-10-27 | 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 | 一种高速行驶交通工具仿真模型前处理模板及处理方法 |
| CN110705013A (zh) * | 2019-08-22 | 2020-01-17 | 蓝箭航天空间科技股份有限公司 | 用于液态甲烷自生增压输送系统的仿真方法 |
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| Title |
|---|
| 基于VOF模型与动网格技术的油气悬架气液两相流数值模拟;张沙;谷正气;赵敬凯;徐亚;伍文广;;中国机械工程(第15期);全文 * |
| 注气式蓄压器系统工作特性仿真分析;万屹仑;付欣毓;张黎辉;胡久辉;;火箭推进(第03期);全文 * |
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