题目：运载火箭液体推进剂贮箱增压系统动态工作过程数值仿真

 

液体推进剂贮箱增压系统从工作原理上可以分为电磁阀-孔板和减压器-稳压器两种方案。对前一种方案，动态工作过程研究主要关注电磁阀打开/关闭过程中增压气体的瞬变填充和压力冲击特性；而减压器-稳压器方案增压系统中，由于减压器、稳压器阀芯始终处于动平衡状态，其动态工作工作过程研究更多关注增压系统控制效果以及系统和系统组件受到外界扰动时的稳定性。而增压系统实际工作过程中，工作元件在系统中的布局与位置、结构参数、时间顺序以及环境随机振动都会对系统动态工作过程造成影响，也是研究中要考虑的因素。目前无论试验手段还是现已采用的数值仿真方法，在研究以上问题时都有所欠缺，因此本文在总结国内外相关研究成果的基础上，系统提出了能够精确描述管路流动过程、能够描述不同结构和功能的管路元件工作过程的数值建模仿真体系，并以国内几种运载火箭贮箱增压系统动态工作过程仿真研究为切入点，对增压系统中的典型动态工作过程进行了分析与总结，开发了可用于增压系统动态仿真的通用可视化仿真软件。

综合国内外文献，现有推进系统的数值仿真研究基本都是针对推进系统中的液体管路流动，对贮箱增压系统的工作特性尤其是动态特性研究开展的较少。计算方法上，以求解线性方程或对非线性方程进行线性化求解的显式方法为主，对动态过程的计算效率与精度较低；对一维管路流动的计算网格较为稀疏，难以清晰地揭示动态过程尤其是瞬变过程的变化机理。因此，本文从Lagrange坐标下连续介质中流体质量微团受力情况出发，针对流体管路一维流动的特点合理简化得到了建立在Lagrange质量坐标上的可压缩一维非定常流动的守恒方程组。方程组保留了流体状态方程的一般形式，只通过改变状态方程即可求解不同种类流体的流动过程。对守恒方程组在空间交错网格上离散建立了一维可压缩管路非定常流场的完全守恒型有限差分模型，模型计算精度较高，且对内能计算守恒性较好；采用牛顿迭代法和追赶法求解隐式非线性方程组，保证了求解精度的同时相对显式方法有较高的计算效率。推导了不同管路边界条件的处理方法，给出了Lagrange坐标网格与管路位置关系的修正方法，实现了对实际问题的数值仿真。利用该仿真方法对Riemann问题的数值实验计算结果与解析解吻合得很好，证明了该方法对一维管路流动计算的有效性。

结合节流模型、体积空间模型和部件运动模型，推导了运载火箭增压系统常见元件（管路三通、阀门、减压器、孔板、稳压器、贮箱、气瓶等）工作过程的仿真模型；在仿真模型的基础上，提出了通过增加减压器、稳压器元件壳体位置坐标模拟外激振动激励的方法。管路元件仿真模型使用Runge-Kutta法求解，并与管路求解采用统一的时间步长。给出了确定数值边界条件的一般准则，管路流动模型与元件工作模型通过该准则交换边界参数，形成统一的增压系统数值仿真体系。

根据增压系统工作气体压力较高情况下的存在真实气体效应的特点，基于真实气体状态方程（Beattie-Bridgeman方程）推导了符合统一形式的热力学补充方程，给出了压力、内能、温度的计算表达式和参数求导表达式；实现了较大温度、压力跨度下气体传输性质的动态计算。

对电磁阀-孔板控制方案的增压系统起动、关闭的瞬态过程进行了仿真研究，计算结果揭示了增压系统在电磁阀起动、关闭过程中气体瞬变填充过程中压力冲击的形成和传播机理，得到了冲击过程的压力峰值、压力振荡频率及时间特性等参数。对不同因素下管路压力冲击过程进行了仿真研究，总结了工作气体性质、电磁阀动作时间、沿程损失系数等对压力峰值的影响规律，在部分参数无法准确取值的情况下给出了对计算结果的修正范围。

对某减压器-稳压器方案增压系统进行了全工作过程动态仿真，描述了增压系统工作过程中典型参数的变化规律和主要元件的工作原理，反映了减压器-稳压器增压系统的工作特点；计算结果与试验结果吻合较好。在此基础上对外激振动条件下增压系统工作过程开展了数值仿真研究，仿真结果中观察到外激振动条件下减压器会出现耦合振荡现象，从而影响工作稳定性。改变可能影响减压器工作稳定性的参数进行仿真，结果表明有外激振动条件下增加减压器下游管路尺寸、增加减压器弹簧刚度、减小减压器阀芯组件质量、增加减压器出口腔容积及减小压力腔容积等措施都能在不同程度上改善减压器工作稳定性；而与无外激振动条件下不同，增加阀芯组件滑动摩擦力及弹簧阻尼系数会使减压器稳定性变差。

采用“基于轮循、参数消息的算法模块整合方案”和“算法集成与协作规范”，在此基础上提出了统一的算法模块数值边界接口形式和计算流程。采用Fortran 95语言编了写模块化的数值算法程序，利用.NET环境下“基于轮循、参数消息的算法整合系统”（AICS）开发了通用可视化仿真软件，通过通用接口传递参数，采用数据驱动方式控制计算过程，实现了从系统建模到数值仿真全过程的可视化操作功能，为工程实际提供了实用的软件工具。

论文采用数值模拟方法对电磁阀-孔板和减压器-稳压器两种方案运载火箭液体推进剂贮箱增压系统动态工作过程进行了系统研究：建立了增压系统工作过程的数学模型与数值仿真体系，对不同增压系统的典型动态过程进行了仿真研究，并且开发实现了通用化的数值仿真软件。本文采用的数值仿真方法和研究取得的结论以及所开发形成的仿真软件为运载火箭液体推进剂贮箱增压系统的研制工作提供了重要的理论参考和技术基础，也可为其它类似研究工作所参考借鉴。