一种冷氦气瓶放气换热过程仿真方法

摘要

一种冷氦气瓶放气换热过程仿真方法，通过建立气瓶固壁热容单元，根据集总参数方法分别建立冷氦气瓶内侧对流换热数学模型、外侧对流换热数学模型、金属瓶壁导热数学模型和冷氦气体压力温度计算数学模型，在系统仿真软件中建立仿真模型，考虑了介质对流、金属瓶壁热容和导热对气瓶内气体温度的影响，提高了冷氦气瓶充放气过程气体温度变化的仿真精度。

主权项

一种冷氦气瓶放气换热过程仿真方法，其特征在于步骤如下：(1)根据运载火箭的工作时序，确定冷氦气瓶暴露于贮箱气枕的时间和冷氦气瓶放气时序；(2)根据集总参数方法建立冷氦气瓶内侧对流换热数学模型、外侧对流换热数学模型、金属瓶壁导热数学模型和冷氦气体压力温度计算数学模型；(3)根据步骤(2)中得到的数学模型，在系统仿真软件中建立运载火箭冷氦气瓶放气换热过程仿真模型；(4)根据运载火箭冷氦气瓶的真实工况，设置冷氦气瓶的结构参数和环境参数，同时结合在所述冷氦气瓶真实工况中冷氦气瓶的材料参数和介质物性参数，在系统仿真软件中进行所述冷氦气瓶的放气换热过程仿真；所述步骤(2)中建立冷氦气体压力温度计算数学模型具体为：$\left[\begin{array}{cc}V·{\left(\frac{\partial \rho }{\partial P}\right)}_T& V·{\left(\frac{\partial \rho }{\partial T}\right)}_P\\ m·{\left(\frac{\partial h}{\partial P}\right)}_T-V& m·{\left(\frac{\partial h}{\partial T}\right)}_P\end{array}\right]·\left[\begin{array}{c}\frac{dP}{dt}\\ \frac{dT}{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dm}}_i}{dt}-\rho ·\frac{dV}{dt}\\ \frac{{\mathrm{dm}}_i}{dt}·h_i-\frac{{\mathrm{dm}}_i}{dt}·h+{\mathrm{\delta Q}}_i\end{array}\right]$式中，t为时间，P为压力，T为温度，V为气瓶容积，m为气瓶内气体质量，h为气体比焓，ρ为气体密度，m_i为通过入口i进入或流出气瓶的气体质量，δQ_i为气瓶内气体与壁面之间的换热热流；所述步骤(2)中建立所述冷氦气瓶内侧对流换热数学模型具体为：气瓶内气体与壁面之间的换热热流由下式计算：δQ_i＝hc_iA_i(T_i‑T)式中，A_i为气瓶内壁面表面积；T_i为气瓶内壁面温度；气体与气瓶内壁间对流换热系数hc_i按下式计算：式中，L为气瓶的特征尺度，对于球形气瓶，取L＝r/10；Re、Pr、Gr分别为气瓶内气体的雷诺、普朗特、格拉晓夫数；λ为气体热导率；所述步骤(2)中建立所述冷氦气瓶外侧对流换热数学模型具体为：气瓶外壁面的换热热流由下式计算：δQ_o＝hc_oA_o(T_f‑T_o)式中，T_f为与气瓶外壁面接触介质；A_o为气瓶外壁面表面积；T_o为气瓶外壁面温度；气体与气瓶内壁间对流换热系数hc_o按下式计算：式中，λ_f为与气瓶外壁面接触介质热导率，d为气瓶外径，C与n按下表取值：所述步骤(2)中建立所述金属瓶壁导热数学模型具体为：气瓶内、外壁面间导热热流按下式计算：式中，λ_w为与气瓶壁面材料热导率，r_o为气瓶外壁面半径，r_i为气瓶内壁面半径。