液氢加注系统水击问题数值分析

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1、2010年第4期导弹与航天运载技术NO．42010总第308期MISSILESANDSPACEVEHICLESSumNO．308文章编号：1004—7182(2OLO)O4—0010—03液氢加注系统水击问题数值分析刘照智，丁鹏飞，田青亚(北京航天发射技术研究所，北京，100076)摘要：结合实际液氢加注系统的管路结构，应用特征线方法对液氢加注系统的水击现象进行了分析。根据分析结果提出减小系统水击峰值的有效措施，为液氢加注系统的设计提供理论依据。关键词：液氢加注系统；水击；数值分析中图分类号：V554+4文献标识码：ANumericalAnal

2、ysisonWater—hammerofLiquidHydrogenLoadingSystemLiuZhaozhi，DingPengfei，TianQingya(BeijingInstituteofSpaceLaunchTechnology，Beijing，100076)Abstract：Accordingtotheactualconstructionofliquidhydrogenloadingsystem，thewater-hammerphenomenonisanalyzed．Ausefulmethodforreducethepeakpre

3、ssureofwater—hammerisgivenbasedontheanalysisresults，whichprovidestheoryfoundationfordesignliquidhydrogenloadingsystem．KeyWords：Liquidhydrogenloadingsystem；Water-hammer；NumericalanalysisO引言af+豢+g。塑8x+2D=。(1)液氢加注系统用于向低温液体火箭加注液氢推进剂。与常温的流体管路系统一样，液氢加注系统在连续方程：大流量加注过程中也存在阀门的开、关动作或阀

4、门故．+±sj+：o(2)gdd0f障瞬间关闭，从而会引起输送管路内压力、流量的瞬变，即发生水击现象。国内外的低温系统都曾发生过式中为管路倾角，当>0时，为“一sinctPY<水击事故。美国土星V液氧加注系统⋯，俄罗斯的低0时，为“+sintz”；V为流速；彳为时间；为距温系统J曾因严重水击而发生管路、阀门损坏的事离；g为重力加速度；H为压力水头；a为水击波故；中国的液氢加注系统曾发生水击，并造成管路法速；厂为沿程阻力系数：D为管径。兰连接处漏液现象，对系统安全构成了严重威胁。I．2计算方法本文将对液氢加注系统在大流量加注过程中发由于水击的控制

5、方程组可化为双曲型方程，因生水击现象进行数学描述，并对系统关键节点的水击此可利用特征线法l转换方程(1)和(2)，当OC>0压力进行计算。根据计算结果，分析减小水击压力值时，得到两个微分方程组式(3)和式(4)：的措施。沿c方向：j』l量．塑+十⋯一墨．Vsin~z+一：0Ul加注系统水击的计算方程和方法口d,rdfa2D(3)1．1计算方程l兰：+口【d彳加注管路已经充分预冷的情况下，液氢在管路内会呈单相液态流动。这时，完全可以用常温流体力学沿C一方向：的公式来计算液氢的流动变化过程l3]。下面是对液氢Jf一量．++墨．Vsina'+：0加注

6、系统的水击控制方程的描述。adrdr日2D(4)运动方程：l苎：一aId收稿日期：2009．11-05；修回Et期：2010．03．09作者简介：刘照智(1983一)，男，助理工程师，主要从事低温加注系统的研究第4期刘照智等液氢加注系统水击问题数值分析由于管路中液氢的流速远小于水击波的传播速：二(10)度，因此，特征线方程中液氢流速可以略去，特征-。2线方程变成了斜率为±a的直线。以adv／g=dxlg乘方式中i为距离；，为时间。程(3)、(4)，并引入管子面积A，把方程中的速度1．3边界条件处理写成流量的形式，然后对方程沿特征线进行积分，特a

7、)管路始端。征线网格如图1所示。对于管路始端为体积较大的源头，在很短的瞬变期间，该处的压头可假设不变。这个边界条件可写成H1=Ho。由式(8)得：J△=(I一)／B(11)2A△式中：一曰+△n+RII；下标1为上游端；c为计算过程中的一个变量，只和前一步的那些已知值有关。图1特征线网格图b)管路末端。管路末端为阀门时，阀门的流量方程可写为方程(3)、(4)的分结果口J改与成万栏(5)、(6)：Q：=一cv+√(Cv)+2(12)沿c：式中=；H／-t-1／：,l+三gn一·(旦+A一2l1l)=0ggDAB：—a即：—：=％一aj+(+一等l

8、1)(5)=站++△n一lJ。沿C一：由式(7)得：一HI+-,1一+(一一I。H=一曰(13)即：2计算结果与分析采用上述模型，对液氢加注系统进行数