以液氧和煤油為推進劑的新一代運載火箭,承力式共底貯箱結構一方面可以縮短整個運載器長度,改善運載器長徑比,二能取消液氧貯箱與煤油貯箱間的箱間段,減輕結構質量。但要求共底夾層需要良好的隔熱性能,同時承受煤油箱和液氧箱雙向壓力載荷。獲得加注過程共底夾層的溫度非穩(wěn)態(tài)分布是分析夾層隔熱和應力性能的基礎�；贑FD方法,模擬了液氮加注過程,共底貯箱包括液氮貯箱和煤油貯箱以及共底夾層,從室溫到加注完成的非穩(wěn)態(tài)溫度分布。數值模型考慮了貯箱表面可能結冰時的熱邊界條件變化以及由于壁面漏熱導致的液氮/氮蒸氣相變蒸發(fā)。為了防止煤油局部溫度過低,重點分析了叉形環(huán)處包裹或未包裹PMI絕熱材料對煤油溫度場和液氮蒸發(fā)率的影響。計算結果表明,叉形環(huán)處包裹絕熱材料時在自然蒸發(fā)階段煤油局部最低溫度小于240 K,而未包裹絕熱材料時局部最低溫度大于260 K,滿足設計要求。仿真結果為液氧和煤油共底貯箱的優(yōu)化設計提供參考。 

【文章來源】：化工學報. 2020,71(S1)北大核心EICSCD

【文章頁數】：9 頁

【部分圖文】：

共底貯箱結構

新一代運載火箭采用無毒、無污染的液氧和煤油推進器[1]。共底貯箱包含煤油箱和液氧箱[2]，煤油箱在上，液氧箱在下，通過貯箱中間的橢球形共底上下隔開，共底結構通過叉形環(huán)與上下箱體連接。液氧箱外部包裹聚氨酯絕熱泡沫。夾層構件由三個部分組成，如圖1所示，包括厚度很薄但強度較高的橢球形上面板及下面板，上下面板間為厚度較厚但質量很輕的PMI泡沫夾芯，面板和夾芯間通過膠黏劑粘接在一起。由于常溫煤油和低溫液氧間溫差約為200 K[3]，為使煤油溫度滿足發(fā)動機入口溫度要求，液氧蒸發(fā)量滿足增壓系統(tǒng)要求，夾層共底需要良好的隔熱性能，同時能承受大溫差熱應力以及煤油箱和液氧箱雙向壓力載荷。獲得溫度場分布是計算夾層熱應力的基礎。本文主要研究共底貯箱，特別是夾層處，在加注低溫氧化劑降溫過程的非穩(wěn)態(tài)溫度分布。研究的共底貯箱結構見圖2，隔熱共底貯箱主要由前短殼、前底、煤油箱筒段、夾層共底、液氧箱筒段、后底及后短殼等組成。國內研究者對共底貯箱已經展開了廣泛研究[3-10]。孫培杰等[4]對新研制的新一代運載火箭液氧/煤油共底貯箱進行了隔熱性能實驗，煤油最低溫度為-15℃，滿足運載火箭發(fā)射需求。他們進一步對共底結構進行了傳熱數值分析，溫差與實驗相比小于10%，但沒有建模液氧側的流動和傳熱，且壁面溫度邊界條件設定為離散的實驗測量值。李照謙等[5]報道了一種鋁合金面板+PMI的大溫差泡沫夾層共底貯箱結構，并進行了氣密性、受壓條件下的結構承力以及隔熱性能測試，發(fā)現(xiàn)研制的共底結構煤油最低溫度為17℃，總體滿足對于煤油溫度的要求。孫春方等[6]實驗測量了聚合物泡沫與纖維增強復合材料組成的夾層結構剛度、強度及彎曲性能。李茂等[3]對共底貯箱基于Abaques軟件開展了應力分析，對比了PMI泡沫和玻璃鋼蜂窩夾芯性能，與低溫靜力實驗對比吻合良好。David等[10]對受內壓的共底貯箱進行了屈曲特性分析。

式中，γ為潛熱。對于橢球形封頭以及圓柱筒段，剩余液氮體積VN2以及浸沒在液體中的表面積Aa(Af）都為液位高度H的函數，因此，從式(1)、式(2)和相應的幾何關系式，可求得蒸發(fā)量以及液位高度H隨時間t的變化。計算結果如圖3所示，計算中涉及的材料物性都為常數。由圖可知，液位高度和液氮蒸發(fā)量的變化受到液氮貯箱形狀和加注速度的影響，函數大致分為4段，分段擬合出液位高度和液氮蒸發(fā)量關于時間的函數，作為氣相空間CFD計算的邊界條件通過UDF編程輸入。1.1.2 氣相空間動網格CFD計算

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
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本文編號：3142064