一种应用于冷氦增压系统的低温管路换热性能仿真方法
【专利摘要】一种应用于冷氦增压系统的低温管路换热性能仿真方法，通过对管路及壁面径向划分三层热容单元建立仿真模型，同时考虑低温环境下管材热导率随温度的变化，能够数值分析管路热容对冷氦增压系统中低温管路的换热性能的影响，将仿真模型应用于冷氦增压系统性能仿真中，提高了冷氦增压系统的增压性能仿真精度。
【专利说明】一种应用于冷氦增压系统的低温管路换热性能仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于冷氦增压系统的低温管路换热性能仿真方法，适用于低温动力运载火箭冷氦增压系统在地面试验、飞行工作过程中的性能分析。
【背景技术】
[0002]低温动力运载火箭冷氦增压系统工作期间，氦气从处于低温推进剂温区的冷氦气瓶流出，流经电磁阀、节流元件、导管后到达冷氦换热器，经换热器加热后，进入贮箱增压。由于管路系统初始温度接近常温，且具有可观的质量，所以管路热容对增压初期流经管路的冷氦气体具有明显升温作用，导致工作初期的增压气体温度高于设计额定值，进而产生初期增压能力过剩、贮箱超压的风险。
[0003]常用的冷氦增压系统性能仿真方法中，对冷氦气瓶、电磁阀、节流元件、冷氦换热器、贮箱均单独建模，但未充分考虑管路热容对增压气体温度的影响，进而对增压初期增压能力过剩的风险估计不足。
[0004]同时，冷氦增压系统管路多为铝合金、不锈钢等金属材料，由于冷氦增压系统正常工作温度较低，该温区内常见金属材料的热导率随温度变化显著，且与常温热导率差别较大，如果不应用低温环境下随温度变化的热导率数据，在分析管路热容对增压气体温度的影响时，会产生较大的计算误差。
【发明内容】
[0005]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供了一种应用于冷氦增压系统的低温管路换热性能仿真方法，计算结果规律真实、数值精确，能够正确评估工作初期增压能力是否过剩。
[0006]本发明的技术解决方案是:
[0007]—种应用于冷氦增压系统的低温管路换热性能仿真方法，步骤如下:
[0008](I)根据所述冷氦增压系统的结构总装图及实际工况，确定所述冷氦增压系统中低温管路的结构参数、介质参数、材料物性参数和环境参数；
[0009](2)根据集总参数方法建立考虑管路热容的低温管路的导热数学模型；
[0010](3)根据步骤(2)中得到的低温管路的导热数学模型，在系统仿真软件中建立冷氦增压系统的低温管路仿真模型；
[0011](4)根据冷氦增压系统的工作温度区间内低温管路材料的热导率数据，拟合该工作温度区间内低温管路材料热导率随温度变化的曲线；
[0012](5)根据步骤(4)中得到的曲线，基于所述系统仿真软件的子模型建模工具建立所述低温管路材料导热计算模型，并将该低温管路材料导热计算模型应用至所述冷氦增压系统的低温管路仿真模型之中；
[0013](6)根据冷氦增压系统低温管路的真实工况，在步骤(5)中更新后的冷氦增压系统的低温管路仿真模型中设置低温管路的结构参数和环境参数，同时结合在所述低温管路真实工况中低温管路的材料参数和介质物性参数，在系统仿真软件中进行所述低温管路的换热性能仿真。
[0014]所述步骤(2)中建立低温管路的导热数学模型具体为:
[0015]将低温管路的管壁沿管路径向和轴向方向共划分为η个单元，其中径向方向划分为三层，沿径向从内至外依次为:内壁面单元、中间单元和外壁面单元，沿低温管路轴向方向等分为Χ=η/3个单元；
[0016]各单元温度，即所述低温管路的导热数学模型为:
[0017]
【权利要求】
1.一种应用于冷氦增压系统的低温管路换热性能仿真方法，其特征在于步骤如下: (1)根据所述冷氦增压系统的结构总装图及实际工况，确定所述冷氦增压系统中低温管路的结构参数、介质参数、材料物性参数和环境参数； (2)根据集总参数方法建立考虑管路热容的低温管路的导热数学模型； (3)根据步骤(2)中得到的低温管路的导热数学模型，在系统仿真软件中建立冷氦增压系统的低温管路仿真模型； (4)根据冷氦增压系统的工作温度区间内低温管路材料的热导率数据，拟合该工作温度区间内低温管路材料热导率随温度变化的曲线； (5)根据步骤(4)中得到的曲线，基于所述系统仿真软件的子模型建模工具建立所述低温管路材料导热计算模型，并将该低温管路材料导热计算模型应用至所述冷氦增压系统的低温管路仿真模型之中； (6)根据冷氦增压系统低温管路的真实工况，在步骤(5)中更新后的冷氦增压系统的低温管路仿真模型中设置低温管路的结构参数和环境参数，同时结合在所述低温管路真实工况中低温管路的材料参数和介质物性参数，在系统仿真软件中进行所述低温管路的换热性能仿真。
2.根据权利要求1所述的一种应用于冷氦增压系统的低温管路换热性能仿真方法，其特征在于:所述步骤(2)中建立低温管路的导热数学模型具体为: 将低温管路的管壁沿管路径向和轴向方向共划分为η个单元，其中径向方向划分为三层，沿径向从内至外依次为:内壁面单元、中间单元和外壁面单元，沿低温管路轴向方向等分为Χ=η/3个单元； 各单元温度，即所述低温管路的导热数学模型为:
3.根据权利要求1所述的一种应用于冷氦增压系统的低温管路换热性能仿真方法:所述系统仿真软件为AMESim、EASY5或Flowmaster。
4.根据权利要求1所述的一种应用于冷氦增压系统的低温管路换热性能仿真方法:所述冷氦增压系统的工作温度区间为20K~150K。
【文档编号】G06F17/50GK103473397SQ201310371603
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月23日 优先权日:2013年8月23日
【发明者】叶超, 陈二锋, 王海洲, 丁建春, 薛立鹏, 冉振华, 江海峰 申请人:北京宇航系统工程研究所, 中国运载火箭技术研究院