李克誠(chéng) 徐新生 馬云龍 吳會(huì)強(qiáng) 武湛君

球篩型火箭貯箱消能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

李克誠(chéng)1徐新生1馬云龍2吳會(huì)強(qiáng)2武湛君1

（1 大連理工大學(xué)，大連 116024；2 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

本文針對(duì)某飛行器貯箱工作環(huán)境與減速增壓需求，設(shè)計(jì)了球篩型火箭貯箱消能器，并對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。本文首先對(duì)高速氣體經(jīng)過(guò)消能器結(jié)構(gòu)的減速過(guò)程進(jìn)行了理論分析，理論分析的過(guò)程指導(dǎo)了有限體積法進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法，利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析方法的可靠性，使之成為消能器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。根據(jù)仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最終結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的消能器，在滿足箱內(nèi)空間要求的前提下，提高了減速效率。

優(yōu)化設(shè)計(jì)；球篩型；火箭貯箱；消能器

0 引言

在火箭運(yùn)行過(guò)程中，隨著推進(jìn)劑的消耗，火箭燃料貯箱內(nèi)燃料液面逐漸下降，液面上方氣枕內(nèi)壓力會(huì)越來(lái)越低，這種現(xiàn)象可能影響推進(jìn)劑輸送的穩(wěn)定性。為了保證燃料供應(yīng)的連續(xù)性，需要通過(guò)增壓系統(tǒng)向氣枕注入高壓氣體，以維持貯箱液面受到的壓力穩(wěn)定[1,2]。但液體燃料貯箱增壓氣體如果直接導(dǎo)入貯箱氣枕，可能導(dǎo)致增壓氣體擊穿推進(jìn)劑，造成輸送系統(tǒng)夾氣，影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性的不良后果。因此，需要加裝消能器以消耗增壓氣體的動(dòng)能，以達(dá)到均勻平緩增壓的效果[3-5]。

國(guó)內(nèi)外專家針對(duì)消能器中高壓高速氣體流動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)行為做了許多理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作[6]。美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）針對(duì)半人馬座火箭（Centaur AC-8）的燃料輸送需求與結(jié)構(gòu)空間特點(diǎn)，提出了多層孔板、截面擴(kuò)大和中心蜂窩桶的消能器形式[7]，我國(guó)研究人員曾經(jīng)針對(duì)高速、大尺寸貯箱的減速消能問(wèn)題提出過(guò)消能器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并進(jìn)行了直筒型多層消能器的性能試驗(yàn)，但未公開(kāi)發(fā)表數(shù)據(jù)與研究結(jié)果。張曉穎等[1]針對(duì)低溫推進(jìn)劑貯箱設(shè)計(jì)了蓮蓬狀回流消能器。并對(duì)氧箱和氫箱回流消能器內(nèi)、外流體的流動(dòng)特性進(jìn)行模擬計(jì)算，給出在不同工況條件下的跡線、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布，得出了回流消能器的局部流體阻力系數(shù)。研究結(jié)果證明，蓮蓬狀回流消能器特殊的結(jié)構(gòu)形式能夠提高預(yù)冷回流液體能量分布的均勻性，有效降低回流造成的擾動(dòng)。

面向不同的應(yīng)用工況，需要設(shè)計(jì)不同的消能器結(jié)構(gòu)形式。本文針對(duì)某飛行器貯箱工作環(huán)境與消能需求，選用結(jié)構(gòu)緊湊的球篩型火箭貯箱消能器，并對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)組件進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。首先，對(duì)高速氣體經(jīng)過(guò)消能器結(jié)構(gòu)的減速過(guò)程進(jìn)行了理論分析，并利用理論分析來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，用有限體積法進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算分析方法。然后，利用壓降-流量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析方法的可靠性，使之成為消能器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。根據(jù)仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)，提出了球篩型消能器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。最終，研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的消能器，在滿足箱內(nèi)空間要求的前提下，提高了結(jié)構(gòu)的消能效率。

1 理論分析

消能器屬于增壓系統(tǒng)的一部分，主要負(fù)責(zé)為高壓氣體減速消能，使之平緩均勻地進(jìn)入氣枕中。如圖1所示，消能器一般安裝于貯箱氣枕頂端，通過(guò)輸送管路及其它附件連接高壓氣瓶。

圖1 消能器的構(gòu)成示意圖

燃料液面在增壓氣流的沖擊下的相應(yīng)可歸結(jié)為Kelvin-Helmholtz穩(wěn)定問(wèn)題，假設(shè)氣液界面處于穩(wěn)定，對(duì)于給定系統(tǒng)可由穩(wěn)定邊界條件確定增壓氣流的速度上限。因此，只需設(shè)計(jì)消能器結(jié)構(gòu)使其出口流速達(dá)到安全范圍，就可以忽略氣液兩相問(wèn)題而僅僅計(jì)算增壓氣體的流動(dòng)影響。本文建立三維穩(wěn)態(tài)可壓縮模型對(duì)流場(chǎng)的壓力、速度進(jìn)行分析。在此問(wèn)題中，消能器流場(chǎng)質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)應(yīng)遵循如下最基本的流體力學(xué)控制方程[8]。

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

其中，是流體密度，是速度矢量，是面應(yīng)力矢量，是體應(yīng)力矢量，e是單位質(zhì)量流體的內(nèi)能，是傳熱功率。

由于篩筒型消能器流場(chǎng)流動(dòng)復(fù)雜，計(jì)算采用收斂性好、精度高的標(biāo)準(zhǔn)K-ε雙方程粘渦模型

2 仿真建模與試驗(yàn)驗(yàn)證

借助有限體積法進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算分析手段，可以實(shí)現(xiàn)多工況，不同結(jié)構(gòu)形式消能器的減速效果快速評(píng)價(jià)。本節(jié)通過(guò)對(duì)比喇叭型消能器的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，驗(yàn)證了數(shù)值仿真分析的準(zhǔn)確性。

2.1 仿真建模

數(shù)值仿真中采用商用軟件Gambit按照所設(shè)計(jì)的實(shí)體模型進(jìn)行1:1的比例建立三維模型，忽略結(jié)構(gòu)壁厚與結(jié)構(gòu)變形，而以一層沒(méi)有厚度的壁面代替。同時(shí)在消能器周圍建立外場(chǎng)以方便觀察消能器附近的流場(chǎng)分布及變化趨勢(shì)。采用非結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)流場(chǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行局部加密，孔板附近流速梯度較大劃分網(wǎng)格尺寸為0.1，消能器內(nèi)場(chǎng)網(wǎng)格尺寸劃分為1，消能器外場(chǎng)網(wǎng)格從1開(kāi)始按1.2倍的比例逐漸增大到15。最終消能器部分共劃分了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格250812個(gè)，最大網(wǎng)格畸變形率為0.590918。共劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格735947個(gè)，最大網(wǎng)格畸變形率為0.803164，其中只有一個(gè)單元網(wǎng)格畸變形率超過(guò)0.8。喇叭形消能器網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 喇叭形消能器網(wǎng)格劃分圖

建好幾何與網(wǎng)格模型后，需要根據(jù)貯箱環(huán)境設(shè)置流場(chǎng)的邊界條件，然后輸出網(wǎng)格文件。將網(wǎng)格文件讀入fluent，根據(jù)理論分析結(jié)果設(shè)置計(jì)算參數(shù)。入口邊界條件設(shè)為固定流量，流量從25L/min開(kāi)始，以10L/min為保載采樣步長(zhǎng)，直到入口流量增加到190L/min，出口為標(biāo)準(zhǔn)大氣邊界。同時(shí)采集入口、出口的局部壓強(qiáng)，計(jì)算壓強(qiáng)差D。圖3為入口流量為25L/min時(shí)，消能器總壓分布結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

以鋁合金為結(jié)構(gòu)材料，參照進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)并制作喇叭口形消能器如圖4所示。將消能器固定在壓力—流量測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行高壓氣流測(cè)試。試驗(yàn)平臺(tái)由氣源（空氣壓縮機(jī)），壓力表，流量計(jì)和消能器試件組成，流量以及壓力的變化由攝像機(jī)記錄，如圖5所示。

圖3 喇叭形消能器總壓分布圖

圖4 喇叭形消能器實(shí)物圖

試驗(yàn)測(cè)試預(yù)設(shè)定多個(gè)工況，入口流量從約25 L/min開(kāi)始，以10L/min為采樣步長(zhǎng)，直到入口流量增加到190L/min位置，同時(shí)采集入口出口的局部壓強(qiáng)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)與數(shù)值模擬的壓降—流量曲線可以驗(yàn)證計(jì)算方法的可靠性。流量與局部壓降的變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 兩次試驗(yàn)的消能器局部壓降隨入口流量的關(guān)系曲線

如圖6所示，試驗(yàn)與模擬結(jié)果有很強(qiáng)的相關(guān)性。試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了模型與數(shù)值分析的有效性。有限體積法進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3 某型飛行器消能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

受某飛行器貯箱空間所限，所有部件的整體尺寸都較小，由于氣枕空間較小，增壓氣體的可用減速距離很短，這就對(duì)消能器的減速性能和效率提出了更高的要求。前人提出的喇叭型消能器在此并不適用。本文采用了直筒-側(cè)面開(kāi)孔的篩筒型結(jié)構(gòu)，并在初步設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上在內(nèi)部增加了球篩結(jié)構(gòu)，同時(shí)增大了整體尺寸進(jìn)行了擴(kuò)容，結(jié)構(gòu)具體形式如圖7所示。

針對(duì)所設(shè)計(jì)工況的數(shù)值計(jì)算，設(shè)置連續(xù)性殘差為10-3，其它變量殘差設(shè)置為10-4，同時(shí)當(dāng)計(jì)算得到的入口和出口質(zhì)量流量誤差不超過(guò)10-3時(shí)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂。結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的速度矢量分布結(jié)果如圖8所示。

圖7 篩筒型消能器結(jié)構(gòu)

圖8 優(yōu)化前后消能器速度矢量分布

入口邊界條件如表1所示。

表1 模擬計(jì)算邊界條件

衡量消能器性能的指標(biāo)包括：消能器的減速效果，以及增壓氣體經(jīng)過(guò)消能器作用之后的壓力損失。提取流場(chǎng)關(guān)鍵位置的計(jì)算結(jié)果表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果

從圖8中可以看出，篩筒型消能器入口出來(lái)的射流到導(dǎo)流錐頂部主流流速基本沒(méi)有降低，保持約70m/s的大小，導(dǎo)流錐是對(duì)改變?cè)鰤簹怏w流動(dòng)方向起到?jīng)Q定性影響，它使原來(lái)能量集中的射流向垂直射流方向的360度范圍均勻分散開(kāi)，這樣就實(shí)現(xiàn)了降低流動(dòng)速度和能量密度的效果。此外，增壓氣體沿導(dǎo)流錐撞擊到篩筒壁面，然后沿壁面向上攀升，最后從篩孔中流入氣枕。這途中在篩筒內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大型的漩渦，穿過(guò)篩孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生眾多小型渦，這樣就增加氣體分子間的摩擦、氣體與壁面間的摩擦，同時(shí)將氣流分散的更均勻，從而實(shí)現(xiàn)消耗氣體動(dòng)能，降低氣體流速的效果，最終達(dá)到平穩(wěn)補(bǔ)充氣枕壓力的效果，也使得增壓氣流吹向液體燃料液面時(shí)的沖擊力會(huì)變得柔和，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)出口速度低于10m/s時(shí)，液面總是穩(wěn)定的[6]，所以，利用所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)防止增壓氣體沖擊液面，造成液體飛濺。另外，從出口的流速分布來(lái)看，增壓氣體有明顯傾斜向上流動(dòng)的趨勢(shì)，這對(duì)防止沖擊液面也是有利的。

對(duì)原直筒篩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了形狀和尺寸上的優(yōu)化，在其內(nèi)部增加球篩的結(jié)構(gòu)形式，加裝的球篩結(jié)構(gòu)使入口射流在12mm的距離內(nèi)分散開(kāi)，將增壓氣體分為兩部分。一部分透過(guò)球篩仍按原來(lái)的方向流動(dòng)，但流速有所降低；另一部分沿著壁面在球篩內(nèi)回流，從篩孔均勻流出，最終增壓氣體經(jīng)過(guò)篩筒孔板的二次過(guò)濾后從篩壁流出。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)對(duì)增壓氣體的流動(dòng)的引導(dǎo)和耗散作用，使增壓氣體在氣枕內(nèi)的分布更加均勻，流動(dòng)速度更加平緩。由表2中的結(jié)果可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)擴(kuò)容了1.25倍，以壓力損失增大408.1Pa為代價(jià)，使減速效率由89.89%提高到了97.29%，出口平均流動(dòng)速度由7.54m/s降低到2.17m/s。

為了觀察增壓氣體流出消能器后的衰減情況，在x=0的平截面上建立橫向特征線和縱向特征線，橫向特征線距離消能器底部分別為5mm,15mm，25mm；縱向特征線距離篩筒側(cè)壁分別5mm，15mm,25mm。由于消能器結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱，流場(chǎng)分布也基本對(duì)稱，因此特征線上的速度分布就可以反映流場(chǎng)其它同等位置的流場(chǎng)分布，如圖9所示。

圖9 消能器結(jié)構(gòu)特征線速度分布

從結(jié)果來(lái)看，隨著離開(kāi)消能器底面的距離增大，吹擊液面方向的平均流速逐漸降低，速度分布也趨于均勻，對(duì)于優(yōu)化前的篩筒型消能器，在其下方25mm位置處，氣體流速處于0.2m/s到0.3m/s的范圍內(nèi)。對(duì)于優(yōu)化后的消能器結(jié)構(gòu)，其下方25mm位置處，氣流速度處于0.01m/s到0.02m/s之間。由此可見(jiàn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)可將增壓氣體的沖擊動(dòng)量降低一級(jí)數(shù)量級(jí)。

流出消能器后5mm的距離以內(nèi)，氣流分布是不均勻的，這是因?yàn)楹Y筒型消能器采用孔板側(cè)壁結(jié)構(gòu)，增壓氣體流出時(shí)速度大小、方向都會(huì)發(fā)生較大變化，在壁面附近會(huì)形成許多小湍渦，流速分布雜亂無(wú)規(guī)律。之后，氣流在空間充足的氣枕中自由流動(dòng)，其流速逐漸趨于穩(wěn)定均勻。對(duì)于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，離開(kāi)側(cè)壁25mm的距離后，氣流最大流速低于2.5m/s，篩筒上方流動(dòng)較劇烈，下方較平和，再結(jié)合速度矢量分布可看出，其篩筒上方存在氣流反吹貯箱頂壁的現(xiàn)象，因此，在出口流動(dòng)速度較大的情況下，這會(huì)存在一定的不安全隱患。優(yōu)化后的消能器結(jié)構(gòu)，在增壓氣體離開(kāi)其側(cè)壁面25mm后，速度分布平緩，大小低于0.1m/s，這對(duì)于平滑補(bǔ)充氣枕壓力，降低增壓氣體對(duì)氣枕和燃料液面的擾動(dòng)都能起到積極的作用。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并優(yōu)化了上面級(jí)貯箱消能器結(jié)構(gòu)，通過(guò)模擬上面級(jí)貯箱消能器的流場(chǎng)，得出了增壓氣體在氣枕內(nèi)的流動(dòng)情況，并對(duì)消能器對(duì)增壓氣體的耗散和控制作用進(jìn)行了分析。

（1）球篩型消能器的設(shè)計(jì)改變了增壓氣體入射方向，降低了增壓氣體的流速，使增壓氣體均勻平緩地進(jìn)入氣枕，從而避免高速入射氣流直吹液面造成液體飛濺，進(jìn)而防止低溫液體與氣枕中高溫氣體直接交換能量引起氣枕壓力不足。

（2）球篩型消能器減速效率高達(dá)97.29%，與之前的結(jié)構(gòu)相比在減速性能上提高了71.22%，使增壓氣體進(jìn)入氣枕的均勻性和平滑性進(jìn)一步得到了提高，消除了氣流反吹貯箱頂壁的問(wèn)題，對(duì)維持氣枕平衡穩(wěn)定具有更好的效果。

（3）所設(shè)計(jì)的新型貯箱增壓氣體消能器，其模型結(jié)構(gòu)及仿真計(jì)算結(jié)果可以為工程應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)及同類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒。

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Optimum Design of Ball Screen Damper in Cryogenic Tank

LI Ke-cheng1XU Xin-sheng1MA Yun-long2WU Hui-qiang2WU Zhan-jun1

(1 Dalian University of Technology，Dalian 116024, China；2 Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China)

Aim at working environment and requirements of deceleration-pressurization for an aircraft, ball screen damper in cryogenic tank is designed and optimized. Firstly the deceleration process of high-speed gas in dampers is theoretical analysis in this paper.The theoretical analysis to guide the process of the finite element modeling method, the reliability of the simulation analysis methodverified by experiment. According to the experience of simulation analysis and experimental research, the optimal design scheme is put forward.The final results show that the optimized damper in this paper can improve the deceleration efficiency on the premise of satisfying the space requirements of the cryogenic tank.

optimum design; ball screen; rocket tank; damper

TH137.8

A

1006-3919(2020)02-0013-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2020.02.002

2019-10-21；

2020-01-07

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃：（2018YFA0702800），國(guó)家自然科學(xué)基金（51805068）

李克誠(chéng)（1988－），男，博士研究生，研究方向：火箭推進(jìn)劑貯箱結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)；（116024）大連理工大學(xué)航空航天學(xué)院.