低溫推進劑交叉輸送管路流場特性仿真研究

許 浩，容 易，季 偉，崔 晨，王 夕，陳士強，陳六彪，王俊杰

(1.中國科學院低溫工程學重點實驗室，北京100190；2.北京宇航系統工程研究所，北京100076；3.中國科學院大學，北京100049)

1 引言

低溫推進劑交叉輸送(Cryogenic Propellant Cross Feed，CPCF)技術是一種應用于使用低溫推進劑的運載火箭或者航天飛機等多級航天動力系統的推進劑管理技術，強調推進劑在級間的共用與相互補充。利用CPCF技術能夠提高系統的運載能力，其優越性主要有:①對于某確定系統的可靠性，利用該技術可以提高至99.9%甚至更高；②對于某確定系統的設計成本，使用該技術可以有效降低約25%；③對于某確定系統的總重和結構干重，與不具備CPCF技術的系統相比，利用該技術的系統能夠分別減小約38%和33%。由此可見，在動力系統中使用CPCF技術能夠在很大程度上提高整體性能，這就需要對該技術進行研究和儲備。通過對CPCF技術的概念與流程的總結，關鍵技術有連接器的設計、剩余推進劑的排放、交叉增壓等，以及不同系統之間的性能對比分析與新型系統的設計，這些大多是以系統整體概念設計為主。

為了具體分析CPCF技術系統流程的運行參數，通過開展以水為工作介質的縮比試驗，對系統中連接器的分離解鎖動作、隔離閥的密封效果以及系統壓力參數的監測進行了研究。在試驗基礎上，為了建立關于交叉輸送系統的模型，需要結合仿真軟件對系統運行時的參數變化進行分析。Schwanekamp針對不同流程，利用PMP和EcosimPro分別對穩態和瞬態兩種運行工況進行了參數分析；湯波等計算分析了交叉輸送系統中的總體參數，并用flow-3D模擬研究了貯箱的晃動特性；馬方超等利用AMEsim建立了地面試驗系統方案仿真模型；Nguyen等利用EASY5仿真軟件建立了交叉輸送系統的增壓模型，模型預測與縮比試驗數據吻合較好，進一步地分析研究了液氫液氧作為低溫推進劑的原尺寸兩級入軌可重復使用運載火箭的增壓系統，其中止回閥用于兩級之間的隔離閥，工作壓差為103 kPa。

綜上，目前對于CPCF技術的研究主要集中在系統流程整體參數的設計分析，對于低溫推進劑在交叉輸送系統管路中雙隔離閥的流場特性和管路設計的分析研究相對較少。本文基于CPCF技術的基本運行原理，選擇具有代表性的液氧作為介質，利用被廣泛應用于對閥門等設備流場設計優化和性能分析的Flow simulation工程仿真軟件模擬分析在不同關閥角度下的不同閥門間距、閥門口徑以及閥門壓差對交叉輸送管路流場特性的影響。

2 系統原理

本文以CPCF系統的常見形式——管線-管線型為研究對象，運行原理如圖1所示。助推級分離前，閥門切換狀態為:燃料管路隔離閥1和3打開，燃料切斷閥8關閉；氧化劑管路隔離閥4和6打開，氧化劑切斷閥7關閉。助推級貯箱11和12將燃料和氧化劑分別輸送到助推級和芯級發動機系統，此過程中芯級貯箱始終保持滿液狀態。當助推級貯箱推進劑消耗完后，分離裝置2和5進行解鎖分離，將助推級無效死重拋離。閥門切換狀態為:芯級管路切斷閥7和8打開，隔離閥3和6關閉；助推級管路隔離閥1和4關閉。芯級貯箱13和14繼續為芯級發動機系統提供推進劑進行下階段飛行。

圖1 CPCF管線-管線型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the line-line type CPCF

從運行原理可知，系統核心管路包括兩側隔離閥即助推級側隔離閥1(4)、芯級側隔離閥3(6)以及中間的連接分離裝置2(5)，如圖2所示。其中芯級和助推級兩側的隔離閥門的快速關閉動作是影響CPCF管路系統壓力波動的主要因素之一。隔離閥門的開閉切換引起的瞬變流會導致管路系統流場的波動，這種波動如果不能得到有效抑制，將對連接分離裝置的可靠性、分離后隔離閥門的密封性帶來危害，同時推進劑流體本身會將這種波動擴散至發動機系統。通常情況下，推進劑由助推級流向芯級側，則芯級側隔離閥處于助推級側隔離閥下游處，其工況將受到上游助推級隔離閥的影響。當助推級分離動作開始啟動后，芯級貯箱的推進劑將輸送給芯級發動機系統，此時需要芯級系統及時匹配輸送管路推進劑的流量、流速以及壓力波動等參數，保證推進劑輸送穩定，從而保證芯級繼續飛行。本文將針對核心管路中隔離閥的閥門間距、閥門口徑以及閥門壓差在不同關閥角度下對芯級側管路的流場影響進行模擬分析。

圖2 CPCF核心管路示意圖Fig.2 Schem atic diagram of the CPCF core pipeline

3 模擬分析

3.1 物理模型

為減小隔離閥進出口管路長度對流場的影響，將入口段管路長度設置為閥門口徑的5倍，出口段管路長度設置為閥門口徑的12倍左右，最終簡化三維模型，如圖3所示，D為流道直徑，l為雙隔離閥門的間矩。網格劃分時對閥門附近流場網格進行加密，改變閥門間距和口徑時網格數相應改變，劃分原則不變。不考慮重力和溫度影響，介質為液氧，隔離閥形式為蝶閥，入口壓力為0.85 MPa，出口壓力為0.8 MPa、0.75 MPa、0.7 MPa和0.65 MPa。考慮到與芯級管路連接的實際可能的安裝空間和位置，監測點設置在芯級側隔離閥后500 mm處。

圖3 雙蝶閥流場模型Fig.3 Flow field model of the double butterfly valve

3.2 模擬結果及分析

3.2.1 閥門間距

CPCF核心管路的助推級側隔離閥和芯級側隔離閥之間的管段間距設計需要兼顧安裝連接分離裝置的空間以及對芯級側流場參數的影響，因此需要設置合理的兩側閥門安裝間距。基于DN200隔離閥，進出口壓力分別為0.85 MPa和0.8 MPa，2個隔離閥中心之間的距離即閥門間距l依次取為400 mm、600 mm和800 mm。計算結果如圖4和圖5所示，對于雙蝶閥而言，隨著閥門間距的變化，在相同關閥角度下芯級側隔離閥后500 mm處的平均流速和平均壓力基本不變。這可能是芯級側隔離閥對其閥后流場起到主導作用，并將其上游處的流場進行了重新構建。這2個參數的變化趨勢為:當關閥角度逐漸增大時，芯級側隔離閥后一定距離位置處的流場參數變化斜率都呈現逐漸減小的趨勢，即當關閥角度較小時(小于40°左右)，芯級側隔離閥后的流場受到影響較強；而當關閥角度較大時(大于60°左右)，芯級側隔離閥后的流場受到的影響較弱。這就表明閥門間距對芯級側隔離閥后的流場基本沒有產生影響。產生這種現象的原因可能是由于閥門的關閥角度在較小情況下，流通面積較大，管路流量較大；關閥角度較大情況下，流通面積較小，管路流量較小，盡管前者管路的阻抗系數小于后者管路的阻抗系數，但是前者管路的流量要遠大于后者管路的流量，并且雙隔離閥前后的壓力損失與流量的平方成正比。這就說明流量的變化影響要大于管路阻抗的變化影響，從而導致關閥角度較小情況下的芯級側隔離閥后的壓力下降幅度更大。而對于平均流速，根據連續性方程可知，管路截面積不變，在關閥角度較小的情況下，流量變化大，導致其流速的變化幅度比在關閥角度較大的情況下的流速變化幅度大。

3.2.2 閥門口徑

在CPCF核心管路系統中推進劑加注需要滿足大流量要求，一般口徑較大，流速較大。在分析這一因素時，保證助推級和芯級兩側的隔離閥間距一致，同時保證連接分離裝置的安裝空間，將閥門間距設置為600 mm。對于雙蝶閥關閥過程，進出口壓力分別為0.85 MPa和0.8 MPa，如圖6和圖7所示，隨著關閥角度逐漸增大，不同口徑的芯級側隔離閥后500 mm處流體的平均流速和平均壓力均先迅速減小，后緩慢減小。相同關閥角度下，閥門口徑越大，芯級側隔離閥后500 mm處的平均流速和平均壓力越大。從圖8所示的液氧流量變化來看，隨著閥門口徑的增大，在相同關閥角度下，其流量增大幅度也隨之增大，特別是在較大關閥角度下，口徑的影響作用更加明顯。可能原因是在相同關閥角度下，口徑變大，其流通面積增大，阻力減小，過流能力增大。這就表明，雖然口徑的變化對于芯級側隔離閥后的平均流速和平均壓力值影響程度較小，但是對于推進劑的輸送流量的影響明顯，也就是說對于不同口徑的推進劑輸送流量的調節匹配方式需要進行相應調整。口徑越大，隨著關閥角度的增大，其流量減小幅度越大，芯級側發動機系統的可利用推進劑流量減小越多，推力降低幅度越大。

圖4 DN200雙蝶閥不同間距的芯級側隔離閥后位置500 mm處的平均流速Fig.4 M ean velocity at 500mm behind the core stage isolation valve of the DN200 double butterfly valve w ith different valve installation distances

圖5 DN200雙蝶閥不同間距的芯級側隔離閥后位置500 mm處的平均壓力Fig.5 M ean pressure at 500 mm behind the core stage isolation valve of the DN200 double butterfly valve w ith different valve installation distances

3.2.3 閥門壓差

圖6 雙蝶閥不同口徑的芯級側隔離閥后500 mm處的平均流速Fig.6 M ean velocity at500mm behind the core stage isolation valve of the DN200 double ball valve w ith different valve diameters

圖7 雙蝶閥不同口徑的芯級側隔離閥后500 mm處的平均壓力Fig.7 M ean pressure at 500 mm behind the core stage isolation valve of the DN200 double ball valve w ith different valve diameters

圖8 雙蝶閥不同口徑的液氧流量Fig.8 Liquid oxygen flow rate of the double butterfly valve w ith different valve diameters

CPCF技術的核心管路的雙蝶閥的進出口壓差可能會由于系統整體運行工況的調整發生改變。壓差的改變勢必會引起雙蝶閥管路的流場參數發生改變，會影響到芯級側管路的調節策略。因此，需要對不同壓差下的雙蝶閥管路流場進行分析。管徑為DN200，閥門間距為600 mm，假定進口壓力不變為0.85 MPa，出口壓力分別為0.8 MPa、0.75 MPa、0.7 MPa和0.65 MPa，即進出口壓差依次為50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa。圖9～圖11依次為不同壓差下的雙蝶閥管路芯級側隔離閥后500 mm處的平均流速和平均壓力變化曲線以及管路流量變化曲線。在相同的關閥區間內，隨著閥門壓差的增大，芯級側隔離閥后的流場參數減小幅度增大。例如關閥角度從20°至40°，其平均流速、平均壓力以及流量的減小幅度隨著壓差增大而增大。而關閥角度從60°至80°這一區間，各種壓差下的芯級側隔離閥后500mm處的平均壓力基本無變化。這可能是當隔離閥關閥角度在較大情況下，其在這區間內的流動阻力都很大，調節能力微弱；而關閥較小的情況下，隔離閥具有較好的調節能力。從圖9和11所示的參數變化還可以觀察到，平均流速的變化趨勢與流量的變化趨勢一致，在相同關閥角度下，兩者增加幅度隨著壓差的增大而減小。這是因為流量與壓差的二分之一次方成正比，而流量與平均流速之間滿足連續性方程，流通面積保持不變，故兩者呈現相同趨勢。由此可見，當壓差發生變化時，雙蝶閥管路的流場參數的調節需要進行相應的改變，這可以為給定交叉輸送管路幾何尺寸大小后的多運行工況參數的設計提供指導。

圖9 雙蝶閥不同壓差下的芯級側隔離閥后500 mm處的平均流速Fig.9 M ean velocity at 500mm behind the core stage isolation valve w ith different pressure differences

圖10 雙蝶閥不同壓差下的芯級側隔離閥后500 mm處的平均壓力Fig.10 Mean pressure at 500 mm behind the core stage isolation valve w ith different pressure differences

圖11 雙蝶閥不同壓差下的液氧流量Fig.11 Liquid oxygen flow rate of the double butterfly valve w ith different pressure differences

4 結論

1)閥門間距對雙蝶閥管路的流場特性基本沒有影響，即對芯級側管路基本沒有影響，因此在安裝雙蝶閥時，只需考慮管路設計能否滿足閥門的安裝空間大小。

2)交叉輸送核心管路芯級側隔離閥后的平均流速、平均壓力和流量隨著關閥角度的增大，其減小的幅度相應減小，這就表明雙蝶閥形式的輸送管路在其關閥角度較小時的調節能力要強于其在較大關閥角度的調節能力。

3)在相同閥門間距和壓差的情況下，隨著閥門口徑的增大，芯級側隔離閥后的平均流速和平均壓力減小幅度基本一致，然而流量變化有顯著差異，這就表明對于不同口徑的交叉輸送管路系統設計時，不同關閥角度下流量參數調節匹配需要單獨設計，相應的芯級側動力系統需要參考此流量變化來進行相應調整。

4)在相同閥門間距和閥門口徑的情況下，在相同的關閥區間內，隨著閥門進出口壓差的增大，芯級側隔離閥后的流場參數減小幅度增大；此外，在相同關閥角度下，芯級側隔離閥后的平均流速和流量隨著壓差的增大，其增大幅度反而減小。因此，在給定交叉輸送管路幾何尺寸大小的情況下，壓差發生變化時，雙蝶閥管路的流場參數的調節需要進行相應的改變；尤其對于液氧輸送流量需要進行實時監測，通過依據其不同壓差下的流量變化響應規律對交叉輸送系統的動力系統作出相應設計，從而適應多工況下的可靠運行。

綜上所述，CPCF技術可以滿足未來深空探測需要的更高有效載荷和更低發射成本，隨著研究的逐步深入和技術的不斷成熟，該技術將在航空航天領域中得到廣泛的應用。同時，本文的分析結果將為CPCF技術中核心管路的設計提供一定參考，未來將結合實驗研究進一步驗證與分析。