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低温液体过滤器结构特性数值仿真李亚鹏;何常青;于丽君【摘要】直通式金属丝网过滤器的不同锥体结构对过滤器的流阻有重要影响,利用流体有限元软件Fluent对液氢流经过滤器时的流动特性进行仿真,给出不同结构锥体的速率、压力云图,在对比分析仿真数据基础上提出合理锥体结构的设计方法.【期刊名称】《机电产品开发与创新》【年(卷),期】2012(025)001【总页数】3页(P91-93)【关键词】金属丝网过滤器;锥壳;液氢;数值仿真;Fluent【作者】李亚鹏;何常青;于丽君【作者单位】北京航天试验技术研究所,北京100074;北京航天试验技术研究所,北京100074;北京航天试验技术研究所,北京100074【正文语种】中文【中图分类】TB6610 引言低温液体以其高纯度的优点，在航天、微电子、生物工程等领域得到广泛应用，航天工业建立之初就大量使用液氧、液氮等低温液体。
伴随着工业技术进步，氢氧火箭发动机以其高比冲性、高环保性得到大规模发展应用，液氢同时成为航天领域又一重要低温液体。
液氢在制造、运输、使用过程中都需要净化装置保证其纯度，金属丝网过滤器用于低温液体的纯化过程有独特的优越性。
金属丝网过滤器是采用金属织网为过滤材质，通过多层层叠的合理搭配和电子束烧结等工艺制备而成的多孔功能材料。
具有理想均匀的孔径分布及优异的流体渗透性能，机械强度高、可进行机械加工、焊接、清洗再生，尤其适用于高洁净度、高安全性的净化系统[1]。
金属丝网过滤器结构多为直通式，该结构具有制造方便、节省安装空间的优点[2]，非常适合空间受限的火箭发动机使用。
锥体是直通式过滤器的主要结构，其结构的合理性对减小过滤器流阻、保证流体平稳性有重要意义。
发动机试验过程中，对燃料压力、流量、流速的稳定性有极高要求，但是目前锥体结构的设计仍停留在经验设计阶段，对锥体的锥度、锥头球面半径等关键尺寸的选用缺少理论依据，无法可靠保证燃料供应满足试验要求。
本文利用流体有限元软件Fluent对液氢管路用金属丝网过滤器中不同结构尺寸的锥体进行数值仿真，分析不同结构下过滤器内的压力、流速等性能变化得出锥壳结构的合理设计方法，充分保证流经过滤器的低温燃料满足试验需求。
华中科技大学硕士学位论文摘要液氢是航空火箭发射的燃料，但一般是通过低温输送管道将其输送到火箭加注设备中进行使用，在输送过程中，管道系统的振动与液氢流动的压力波动会对输送过程造成严重影响，从而不利于加注过程的成功进行。
针对这一现状，旨在研究液氢管内流动状态与输送管道振动的关系，从而提高输送系统的稳定性。
通过分析液氢管内沸腾流动的数学模型以及管道振动方程，以液氢为低温工质，建立液氢输送管道的三维模型，对液氢输送管道流固耦合振动特性以及沸腾流动压降特性进行了数值模拟研究。
利用模态分析和谐响应分析对不同影响因素下的液氢输送管道固有频率进行计算。
根据UDF编写的管道振动方程，模拟不同边界条件（入口速度、管壁温度）、管道振动条件（振动频率、振动振幅）以及管径下的压降变化，并利用频谱分析的方法计算压降波动的频率与幅值。
结果表明：在现有的相关实验数据和计算关联式的基础上，对所建立的数值模型进行了验证，其相对误差在10%以内。
不考虑外加振源时，得到管道长度对管道固有频率影响最大，当管道长度增加到原来的两倍时，管道固有频率降低到原来的0.36倍。
谐响应分析得到管道的前三阶频率（200Hz~350Hz）对管道振动的强度影响较大，管道在x和y方向的位移响应与z方向位移响应的数量级相差12-13倍。
考虑外加振源时，得到液氢压降波动的频率和幅值随边界条件、管道振动情况以及管径的变化趋势，其中入口速度由2m/s变化到4m/s时，其压降波动变为原来的3倍左右；管径由0.1m变化到0.2m时，压降波动的范围从-1000~2400Pa变化到-600~1200Pa。
通过对液氢输送管道流固耦合振动特性以及流动压降特性的数值计算分析，表明在实际应用中控制液氢管内流动的流速以及适当增加输送管道的壁厚和管径可以降低流动压降波动的程度，从而有效的改善输送系统的稳定性，降低系统共振发生的可能性。
关键词：液氢；流固耦合；振动特性；压降特性；频谱分析华中科技大学硕士学位论文AbstractLiquid hydrogen is the fuel that is launched by aviation rockets, but it is usually transported to the refueling equipment rocket through low-temperature transmission pipelines. In the process of transmission, the vibration of the piping system and the pressure fluctuation of the liquid hydrogen flow will have a serious impact on the conveying process, which is not conducive to the success of the filling process. In view of this situation, the aim is to study the relationship between the flow state in the liquid hydrogen pipe and the vibration of the conveying pipe, thereby improving the stability of the conveying system.By analyzing the mathematical model of boiling flow in the liquid hydrogen pipe and the vibration equation of pipe, a three-dimensional model of the liquid hydrogen transfer pipe was established by using liquid hydrogen as the cryogenic medium.The numerical simulation of the fluid-structure interaction vibration characteristics and boiling pressure drop characteristics of liquid hydrogen transport pipeline was performed. The modal analysis and harmonic response analysis were used to calculate the variation of natural frequency of liquid hydrogen transport pipeline under the influence of different factors. According to the vibration equation of pipeline compiled by UDF, the pressure drop of different boundary conditions (inlet velocity, wall temperature), pipeline vibration conditions (vibration frequency, vibration amplitude) and pipe diameters was simulated, and the frequency spectrum analysis method was used to calculate the frequency and amplitude of pressure drop fluctuations.The results show that the established numerical model is verified on the basis of the existing related experimental data and the calculated correlation, and the relative error is within 10%. When the external vibration source is not considered, the length of the pipe obtained has the greatest influence on the natural frequency of the pipe. When the pipe length increases to twice the original, the natural frequency of the pipe is reduced to 0.36 times the original value. Harmonic response analysis shows that the first three-stage frequency of the pipeline (200Hz~350Hz) has a great influence on the vibration intensity of the pipeline. The displacement response of the pipeline in the x and y directions is华中科技大学硕士学位论文12-13 times larger than that of the z-direction displacement response. Considering the external vibration source, the frequency and amplitude of the liquid hydrogen pressure drop fluctuations with the boundary conditions, the vibration conditions of the pipeline, and the diameter of the pipe are obtained. When the velocity changes from 2m/s to 4m/s, the pressure drop fluctuates, which is about 3 times to the original; when the pipe diameter is changed from 0.1m to 0.2m, the pressure drop fluctuation ranges from -1000~2400Pa to -600~1200Pa..Through the numerical calculation and analysis of the fluid-solid interaction vibration characteristics and flow pressure drop characteristics of the liquid hydrogen transmission pipeline, it is shown that controlling the flow velocity in the liquid hydrogen tube and properly increasing the wall thickness and diameter of the delivery pipeline can reduce the degree of fluctuation of the flow pressure drop in application, thereby the stability of the delivery system is improved effectively, and the possibility of system resonance is reduced.Keywords: liquid hydrogen, FSI, vibration characteristics, pressure drop characteristics，FFT华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract ........................................................................................................... I I 目录 (IV)1 绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 国内外研究概况 (2)1.3 本文的主要研究内容 (9)2 液氢沸腾流动模型与管道固有特性理论分析 (11)2.1 液氢沸腾流动计算方案 (11)2.2 计算模型的验证 (16)2.3 液氢输送管道振动理论分析 (17)2.4 液氢输送管道的模态分析 (19)2.5 本章小结 (21)3 液氢输送管道流固耦合振动特性模拟 (23)3.1 液氢输送管道振动特性的数值计算 (23)3.2 流速以及管道结构对管道振动特性的影响 (28)3.3 液氢输送管道的谐响应分析 (33)3.4 本章小结 (37)4液氢沸腾流动压降的数值模拟 (39)4.1 沸腾流动压降的数值计算 (39)4.2 边界条件对压降波动的影响 (40)华中科技大学硕士学位论文4.3 管道振动条件对压降波动的影响 (44)4.4 管径对压降波动的影响 (46)4.5 液氢输送管道内流体流动压降的频谱分析 (47)4.6 本章小结 (51)5总结和展望 (53)5.1 总结 (53)5.2 展望 (54)致 谢 (55)参考文献 (56)附录1 攻读学位期间发表论文 (63)附录2 攻读学位期间参与科研项目 (64)华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1 研究背景与意义能源是社会发展的基石，在科技发展的今天，能源短缺是当前急需解决的问题。
液氢加注系统竖直管道内Taylor气泡的行为特性
马昕晖;徐腊萍;陈景鹏;宋建军
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2011(000)006
【摘要】针对液氢加注系统竖直管道内气液两相流实验化困难的问题,运用建模仿真的方法建立了竖直管道内Taylor气泡的运动模型,对Taylor气泡的形成过程、大小以及充分发展的Taylor气泡上升速度进行了研究.采用VOF方法对气液两相的交界面进行追踪,并引入CSF模型对两相间的表面张力进行计算.仿真结果表明:Taylor气泡是由弥散的小气泡聚合而成,根据泡状流向弹状流转变得出的Taylor 气泡的临界长度比处于发展中的Taylor气泡长度要小,充分发展的Taylor气泡基本上以0.226 5 m/s的速度匀速上升.
【总页数】5页(P66-70)
【作者】马昕晖;徐腊萍;陈景鹏;宋建军
【作者单位】装备学院,北京,101416;装备学院,北京,101416;装备学院,北
京,101416;装备学院,北京,101416
【正文语种】中文
【中图分类】TB611
【相关文献】
1.竖直管路内流动液氢条件中弹状氢气泡运动速度 [J], 宋建军;杜小平;赵继广
2.竖直管道内冰浆流体流动特性的数值模拟 [J], 王继红;张腾飞;王树刚;梁运涛
3.液氢加注系统低温管道中的两相流仿真与分析 [J], 栾骁;马昕晖;陈景鹏;孙克;宋建军
4.竖直管道内间歇式两相流动沸腾特性分析 [J], 陈金波;廖世梁;佟立丽;曹学武;邓坚;曾未
5.竖直环形流道内欠热沸腾时的气泡行为研究 [J], 孙立成;阎昌琪;孙中宁
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液体火箭推进剂加注模拟仿真系统的设计与实现标题：液体火箭推进剂加注模拟仿真系统的设计与实现摘要：本文提出了一种新型的液体火箭推进剂加注模拟仿真系统，利用物理学原理模拟了液体火箭推进剂的加注过程，提供了一种有效的方法来研究和分析液体火箭推进剂加注系统的性能特征。
首先，通过对推进剂加注机构和流量控制部件的详细分析，建立了系统动力学和流体力学模型，并推导了加注时间和管道中液体流动情况的数学表达式。
然后，应用MATLAB/Simulink编程建立了液体火箭推进剂加注仿真模型，最后，通过实验验证方法验证了模拟系统的准确性和可靠性。
关键词：液体火箭；推进剂加注；模拟仿真；系统设计液体火箭推进剂加注模拟仿真系统的最终应用是火箭研发和发射领域，它能够帮助引擎设计者准确的模拟各种补给情形下的火箭发动机性能，从而提高发射效率。
在火箭发动机的设计和研制中，液体火箭推进剂加注模拟仿真系统可以准确地模拟和模拟液体火箭推进剂加注过程，并分析出加注时间和加注管道中的液体流动情况，为其引擎性能提供精准、实时的信息，从而提高整体火箭发动机的效率。
例如，液体火箭推进剂加注模拟仿真系统可以准确地模拟推进剂的实际数量，并根据火箭发动机的压力需求来调整推进剂的加入速率，准确控制不同参数下的推进剂加注过程，使得火箭发动机的喷出量和推力精准可控，从而有效提升火箭发射精度和效率。
此外，液体火箭推进剂加注模拟仿真系统还可以用来模拟多种特殊情况下的火箭加注过程，比如高空、多流体、多组件等，从而更好地了解液体火箭推进剂加注系统的性能特征，并获取有效的优化和改进方案。
此外，液体火箭推进剂加注模拟仿真系统可以用于火箭发动机调试，协助工程师快速发现火箭系统中的问题，解决安全和效率问题，从而大大降低了火箭发射的风险。
总的来说，液体火箭推进剂加注模拟仿真系统可以有效地模拟和分析液体火箭推进剂加注系统的性能特征，并提供了一种非常有效的方法来研究和提高火箭发射的准确度。
2019年第2期总第228期低温工程CRYOGENICSNo.22019Sum No.228低温推进剂加注流程动态特性仿真唐强黄玲艳陈世超(北京航天发射技术研究所北京100076)摘要：在建立低温真空管路、低温真空阀门、低温真空容器、低温过滤器等单机低温设备仿真模型的基础上，按照实际管路系统布局建立了某低温火箭液氧加注系统三维仿真模型。
依据实际低温加注工序和参数，完成了加注全流程动态特性分析和仿真，对加注过程中温度、压力、流量、液位等参数进行了仿真预示。
通过与试验数据对比，证明了系统全流程动态特性仿真的可行性和有效性。
研究成果可用于低温加注系统方案优化设计、工艺流程设计、故障预案演示等，同时可作为开展低温系统加注过程自动化测试、加注和健康管理的基础。
关键词：低温推进剂加注动态特性仿真中图分类号:TB611文献标识码：A文章编号:1000-6516(2019)02-0035-06 Simulation on dynamic characteristics of cryogenic propellant filling processTang Qiang Huang Lingyan Chen Shichao(Beijing Institute of Space Launch Technology,Beijing100076,China)Abstract:On the basis of the simulation models of cryogenic equipment such as cryogenic vacuum pipeline,cryogenic vacuum valve,cryogenic vacuum vessel and cryogenic filter,a three-dimensional simulation model of liquid oxygen filling system of a cryogenic rocket was establishedaccording to the layout of the actual pipeline system.According to the actual cryogenic injectionprocedure and parameters,the dynamic characteristic analysis and simulation of the whole fillingprocess were completed,and the parameters such as temperature,pressure,flow rate and liquidlevel during the filling process were simulated and predicted.By comparing with the experimentaldata,the feasibility and effectiveness of the whole process dynamic simulation were proved.Theresults of study can be used in the optimization design of cryogenic filling system,process flow design,failure plan demonstration and so on.At the same time,it can be used as an foundation forautomatic test,filling and health management of cryogenic filling system.Key words:cryogenic；propellant；filling；dynamic characteristics；simulation,"亠个工序。
火箭发射场液氢泄漏扩散特征CFD模拟分析陈慧;陈威;申双林【摘要】The FLUENT software CFD was used with the compilation of User Defined Function(UDF)to simulate and analyze the process of the leakage and diffusion of LH2.The different leakage pressure,leak location,external flow direction diffusion had an important influence on the hydrogen leakage.Numerical simulation results indicate that the increase of leakage pressure will lead to the increase of the area of lowtemperature hazard zone of LH2 and hydrogen combustible zone.The closer the location of the leak port is to the ground,the larger the combustible range of the whole hydrogen concentration distribution will be.The upper blow is the most favorable way to dilute the concentration of hydrogen and to reduce the harm of leakage.%通过CFD软件并结合自定义函数(UDF)功能对不同工况下的液氢泄漏扩散过程进行模拟并进行分析,不同的泄漏压力、泄漏孔位置、外部来流风向对液氢泄漏扩散具有重要的影响.分析数值模拟结果表明:随着压力的增加,液氢低温危害区以及氢气可燃区面积增大;泄漏口距离地面越近,整个氢气浓度分布的可燃区面积增大;上部吹风有利于氢气的稀释进而减少泄漏危害性.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】6页(P24-29)【关键词】液氢;泄漏扩散;推进剂;CFD【作者】陈慧;陈威;申双林【作者单位】航天低温推进剂技术国家重点实验室北京 100028;西安交通大学能源与动力工程学院西安 710049;航天低温推进剂技术国家重点实验室北京100028;苏州大学能源学院苏州 215006;中国矿业大学能源与动力工程系徐州221116【正文语种】中文【中图分类】TB6121 引言液氢作为一种清洁能源，能量密度高、冷却、燃烧性能好。
