液体火箭末级低温氢箱在轨飞行压增过程数值模拟

摘要

液体火箭末级在轨飞行压力控制对其安全运行意义重大.基于两相VOF模型的CFD方法能够成功预测低温贮箱微重力下的气液界面运动变化特征,但用其预测微重力下的贮箱压增速率则会因为消耗大量计算资源而失去工程实用价值.首先采用基于VOF模型的CFD方法获得微重力下气液界面的分布特征,然后采用Lump-Vapor模型对液氢贮箱的气相区和液相区分别求解,并采用UDF用户程序考虑气液相变热质交换,从而实现了对液氢贮箱压增过程的快速预测.模拟结果表明,在微重力下,表面张力作用凸现,气液界面形状在7200s后基本达到稳定.对于本文计算工况,在6.5W/m2的空间漏热热流下,经过4天的在轨运行,气液相界面温升约4.87K;压增速率约为70.75kPa/天.在保证一定精度的前提下,采用LumpVapor模型不仅较好地预测了箱体压增特性和物理场分布规律,而且还显著提高了运行效率,节省大量计算时间.