一种低温贮箱出流空化裕度评估的工程试验方法与流程

本发明属于及低温贮箱出流空化特性，具体涉及一种低温贮箱出流空化裕度评估的工程试验方法。

背景技术：

1、液体运载火箭贮箱内推进剂出流过程中，当局部静压下降至饱和蒸气压以下时，低温推进剂内部或者固液边界上出现蒸汽空泡的现象，也就是我们常说的“空化现象”，特别是采用低温推进剂的火箭由于推进剂的饱和蒸气压较高，更容易引起出流空化。当液体火箭输送系统中存在局部流道收缩时，如贮箱出流口或输送路变径等，会出现局部低压区，当局部低压区压力低于推进剂饱和蒸气压时，会发生低温液体空化，随着空化区域不断扩大并进入发动机泵，将引发发动机泵气蚀，为运载火箭飞行可靠性带来灾难性影响。因此在设计液体增压输送系统时，除满足发动机泵入口压力外，还应考虑发动机工作段输送路低温液体空化裕度。

2、基于仿真方法针对贮箱出流过程空化发展机理有了一定认识，出流口类似于汽蚀文氏管结构，在特定的压力、流量等条件下存在最大的壅塞流量。当发动机抽吸流量大于对应的壅塞流量时，会出现空化现象并向下游发展导致涡轮泵夹气发动机无法正常工作。对于空化裕度评估，目前采用如下几种方式：

3、1)采用地面相同推进剂介质开展全尺寸的低温试验，模拟飞行工况，通过出流口压力测量直接评估空化压力裕度[引证文件：低温液体运载火箭输送系统空化特性研究，陈士强等，导弹与航天运载技术]；该方法结果准确，但液氧等推进剂条件满足需要付出巨大成本，在一般地面试验中不推荐采用；

4、2)采用仿真手段，针对飞行工况直接开展流场仿真，分析得到局部最低压力，其于推进剂饱和蒸气压的差值作为空化裕度；该方法能直观反应空化压力裕度，但仿真模型无法考虑产品加工等偏差，结果偏理想，并且获得的相对空化初生的空化裕度较为保守；

5、3)采用仿真手段，分析得到贮箱出流模型的壅塞流量系数，然后根据输入条件计算得到空化裕度系数[引证文件：低温液体输送路流场空化裕度准则及试验介质影响研究，丁蕾等，真空与低温]；该方法利用壅塞点评估空化裕度更为准确，且壅塞流量系数对不同介质通用，适应性较好，但同样仿真模型无法考虑产品加工等偏差，结果偏理想。

6、因此，有必要针对基于汽蚀流量的空化机理开展试验，采用液氮等介质设计更加高效的试验方案，测量得到壅塞流量系数，进而对空化裕度进行评估。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低温贮箱出流空化裕度评估的工程试验方法，解决现有技术存在的问题，实现工程设计过程中推进剂出流空化裕度有效评估。

2、本发明提供一种低温贮箱出流空化裕度评估的工程试验方法，所述出流空化评估试验方法，包括如下步骤：

3、确定试验贮箱的结构和试验流动介质种类；

4、确定所述试验流动介质在所述试验贮箱内贮存和流动时的参数；所述参数包括：试验流动介质过冷度、试验贮箱结构气枕压力、试验流动介质初始液位和出流流量。

5、通过试验测量得到完全空化时的出流流量qm，t；

6、计算试验贮箱结构出流口的出流壅塞流量qm0,t，所述出流壅塞流量为所述试验贮箱结构出流口的试验条件下的理论流量；

7、计算贮箱结构贮箱结构出流口在设计工况的出流壅塞流量qm0,s；

8、确定空化汽蚀裕度。

9、进一步地，通过下式计算试验贮箱结构出流口的出流壅塞流量：

10、

11、其中：所述a为出流口横截面积；ρ为试验流动介质密度；pi,t为出流口位置静压，通过pi,t＝p0,t+ρnx,tht计算，p0,t为试验气枕压力，nx,t为地面试验过载加速度，所述ht为试验液位。ps，t代表试验流动介质过冷度对应的饱和蒸气压。

12、进一步地，通过下式计算贮箱结构出流口在设计工况的出流壅塞流量：

13、

14、其中：所述qm0,s为设计工况的出流壅塞流量出流壅塞流量计算值，p0,s为设计工况的气枕压力，nx,s为设计状态的过载加速度，hs为设计工况的液位。ps，s代表设计工况流动介质过冷度对应的饱和蒸气压；c为出流口的流量系数试验值，通过c＝qm，t/qm0，t计算得到。

15、进一步地，所述确定空化汽蚀裕度通过下式计算：

16、

17、其中，所述的qm,s为设计工况的发动机工作流量；k为出流壅塞流量与发动机设计工作流量之间的相对差值，用于表征出流空化裕度。

18、根据本发明的另一个方面，提供一种低温贮箱出流空化试验装置，包括：

19、试验贮箱，用于模拟贮箱箱底结构，存储试验流动介质；

20、试验流动介质输送分系统，用于向所述试验贮箱输送所述试验流动介质；

21、加注分系统，用于向试验贮箱加注试验流动介质；

22、试验测控分系统，用于测量获取试验压力、温度和流量。

23、进一步地，所述试验贮箱内设置：

24、液位计，用于测量试验流动介质液位高度；

25、出流装置，设置在所述试验贮箱箱底，用于控制试验流动介质出流；

26、增压口，设置在所述试验贮箱顶部，用于连接增压管路，调节试验贮箱内气枕压力。

27、进一步地，所述试验流动介质输送分系统，包括：

28、输送管，用于输出所述试验流动介质；

29、截止阀，用于控制输送管开启或切断或所述试验流动介质在所述输送管内的流动。

30、进一步地，所述试验测控分系统，包括压力传感器、流量计和温度传感器，分别试验贮箱内气枕、箱底、输送管位置处的压力、流量和温度。

31、本发明的有益效果如下：

32、本专利发明效果是：提供了一种低温贮箱出流空化裕度评估的工程试验方法，通过汽蚀流量系数和汽蚀流量获得出流空化裕度；通过空化裕度结果确定出流结构参数和设计工况参数满足效果，防止出现空化限流对推进剂供应和发动机正常工作产生较大影响。

技术特征：

1.一种低温贮箱出流空化裕度评估的工程试验方法，其特征在于，所述出流空化评估试验方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种低温贮箱出流空化裕度评估的工程试验方法，其特征在于，通过下式计算试验贮箱结构出流口的出流壅塞流量：

3.根据权利要求2所述的一种低温贮箱出流空化裕度评估的工程试验方法，其特征在于，通过下式计算贮箱结构出流口在设计工况的出流壅塞流量：

4.根据权利要求3所述的一种低温贮箱出流空化裕度评估的工程试验方法，其特征在于，所述确定空化汽蚀裕度通过下式计算：

5.一种低温贮箱出流空化试验装置，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的低温贮箱出流空化试验装置，其特征在于，所述试验贮箱内设置：

7.根据权利要求5所述的低温贮箱出流空化试验装置，其特征在于，所述试验流动介质输送分系统，包括：

8.根据权利要求5所述的低温贮箱出流空化试验装置，其特征在于，所述试验测控分系统，包括压力传感器、流量计和温度传感器，分别试验贮箱内气枕、箱底、输送管位置处的压力、流量和温度。

技术总结本发明提供一种低温贮箱出流空化裕度评估的工程试验方法，通过汽蚀流量系数和汽蚀流量获得出流空化裕度；通过空化裕度结果确定出流结构参数和设计工况参数满足效果，防止出现空化限流对推进剂供应和发动机正常工作产生较大影响。技术研发人员：程堂明,徐利杰,章小芳,王太平,陈二锋,吴姮,孙善秀,李林,田玉蓉,张青松,吴俊峰,方红荣,方一博,贾鹏飞,任京涛,曾兆妹,张腾,王佳森受保护的技术使用者：北京宇航系统工程研究所技术研发日：技术公布日：2024/9/9