面向池塘圈养模式的气液混合泵的参数优化及增氧试验

为探究气液混合泵能否满足在高密度养殖条件下养殖对象对水体溶氧的需求,基于气液(氧气-水)混合泵搭建溶氧试验平台,在不同水温、不同出水压力和不同气水体积比的条件下,测试气液混合泵溶氧性能,并在池塘圈养桶(直径4 m,高2 m,养殖水体体积20 m^(3))内进行增氧试验。溶氧性能测试结果显示:当出水压力为0.25 MPa、气水体积比为0.01~0.05时,在不同水温(5.6、13.5、30.3)条件下出水溶解氧与水温成反比,溶解氧在47.93~20.60 mg/L变化;氧气吸收效率与气水体积比呈反比,氧气吸收效率在91%~33.7%变化;动力效率与气水体积比成正比,动力效率在22.32~55.12 kg/(kW·h)变化。基于圈养桶的增氧试验结果显示,在有鱼耗氧的条件下(黄颡鱼,单个桶内养殖密度为13.19~16.49 kg/m^(3)),使用功率3 kW的气液混合泵为4个圈养桶增氧时,每个桶内水体溶解氧在光照时间内可达11 mg/L,夜间稳定保持在8 mg/L以上。试验结果表明气液混合泵可应用于高密度的水产养殖,并能有效应对夏季高温供氧难题。

微重力下火箭推进系统液氧贮箱内气泡脱离半径研究

研究微重力下液氧贮箱内气泡脱离半径是运载火箭推进系统推进剂在轨沸腾与换热计算的基础.与常重力和低重力环境不同,微重力下Marangoni效应变得突出.为了求解气泡脱离半径,构建包含浮力、惯性力、压差力、表面张力、黏性阻力和Marangoni力的气泡动力学模型.针对现有Marangoni力计算公式适用范围狭窄的问题,依托数值仿真方法,拟合得到了更精确的修正因子计算公式,进而扩充了Marangoni力计算模型的适用范围.使用运载火箭液氧贮箱常规工作压力0.3 MPa下的饱和液氧物性参数,计算得到气泡所受合力随半径的变化关系以及气泡脱离半径随重力的变化关系.结果表明,气泡的脱离行为可以由微重力区、过渡区和低重力区三个区域来划分.微重力区内可以形成厘米级甚至米级的大气泡,而低重力区内只能形成0.1 mm级的小气泡.相比之前的模型,本文模型可以同时适用于三个区,更全面地揭示了微重力下液氧贮箱内的气泡脱离特性,可以为液氧贮箱换热特性分析提供理论支撑.

重复使用液氧贮箱设计、制造与试验研究

重复使用贮箱是重复使用运载器的关键部件,使用寿命长,受力复杂,构型独特,是重复使用运载器研制的难点,为找到一种科学合理的研制方法,本文对重复使用液氧贮箱的设计、制造与试验进行研究。在传统火箭贮箱研制的基础上,进行了创新研究,阐述了设计思想、设计理念和贮箱材料选择,发明了液氧贮箱的前支撑、消能器与箱内附件的连接结构;对箱底的成型工艺和箱体的焊接方法进行研究得出:整体旋压成型工艺优于传统的瓜瓣拼焊工艺,真空电子束焊接可以保证箱体质量和尺寸精度;关于试验的创新包括用试片级前支撑结构选型试验和强度极限试验取代全尺寸真实环境试验,进行箱外消能器测试而不是箱内测试,以及将光纤检测技术纳入传统的箱体静力试验。

低温液体运输车罐体设计与分析

开展了低温移动液氧储罐结构设计与分析。按照压力容器设计规范,依据经验公式的设计方法,设计了工作温度-183~-162℃的0.52 MPa低温移动液氧储罐。按照压力容器分析设计标准,采用数值分析的方法,分析了低温液体运输单车罐体前冲工况下的应力分布规律。结果表明:封头、补强板、角钢圈、八点支撑等零件满足设计要求以及分析设计标准对于材料最大强度的极限要求,双层罐体具有良好的抗压性能以及优良的真空性。

大型液氧贮槽实现零放空的设计优化措施

针对大型液氧贮槽普遍存在的大量放空造成的能源浪费现象,分析了影响贮槽放空的主要因素,通过对各主要因素影响贮槽放空量的计算分析,提出了通过提高空分装置液氧产品过冷度实现液氧贮槽零放空的设计优化措施,并对现有的液氧贮槽压力控制方案进行了优化。

低温液氧贮槽出液管开裂原因分析及缺陷处理

对某低温液氧贮槽在服役过程中出液管母材开裂的原因进行了分析,得出因出液管与均压板套筒间隙不足,导致在低温环境下出液管管口随贮槽底板的“冷缩”发生水平位移,并与均压板套筒碰撞挤压产生塑性变形,拉裂出液管与贮槽底板焊缝焊根处的管壁母材,导致出液管开裂。通过优化出液管管道路径,改变出液管管口受力情况,以规避贮槽服役期管道开裂导致的漏液风险。

低温液氧储罐定期检验方法的应用研究

储罐是工业生产和生活中广泛使用的储存设备。低温液氧储罐主要是用于储存液态氧的立式或卧式双层真空绝热储罐。着重对液氧储罐在定期检验方法、过程、内容及存在问题等方面进行阐述,消除安全隐患,避免事故发生,使定期检验工作水平不断提高,更好的保证检验工作质量。

新型运载火箭射前预冷液氧贮箱热分层的数值研究

针对新型运载火箭液氧贮箱的热分层现象,采用计算流体力学(CFD)技术对液氧贮箱内部的物理场进行数值模拟,揭示了贮箱内部温度场及速度场的分布规律,并分析了液氧热分层的形成过程及原因.研究表明:回流口截面以上区域的传热以对流方式为主,底部区域则主要是逐层导热;贮箱内部主体区域形成轴向温度分层,底部区域产生径向温度分层,最低温度区域偏移至底部封头右侧;气枕区形成逆时针速度旋涡,液相主体区产生顺时针速度旋涡,贮箱底部由于流场影响产生逆时针速度旋涡.

火箭液氧贮箱热分层现象数值模拟

采用CFD技术,通过对液氧贮箱内部物理场数值模拟,揭示了贮箱内部温度场的分布规律,分析了液氧热分层现象的形成过程及原因。研究表明,回流口截面以上区域传热以对流方式为主,底部区域则主要是逐层导热。贮箱内部主体区域形成轴向温度分层,底部区域产生径向温度分层,最低温度区域偏移至底部封头右侧。液相主体区产生顺时针速度漩涡,贮箱底部由于流场影响产生逆时针的速度漩涡。

聚合物基复合材料在液氧贮箱中的应用研究

回顾了航天系统液氧贮箱的历史沿革 ,论证聚合物复合材料作为贮箱材料应用的必要性和可行性。从聚合物基体和纤维选择 ,复合材料的成型 。

不同回流位置液体火箭发动机循环预冷回路特性

液体火箭发动机的循环预冷是复杂的传热过程并且受到很多因素的影响,回流口位置则是影响管路预冷效果的重要因素。为了研究不同回流位置对液体火箭发动机预冷效果的影响,文中采用一维均相平衡态流体模型,通过离散化方法分析了不同回流位置时循环预冷过程中泵体温度的变化规律及预冷管路中流体各参数的分布趋势,得出回流上升管出口最佳位置。

液氧贮箱增压过程中气枕空间温度场的数值模拟

液氧贮箱增压气体输送过程中,气枕空间的温度场会发生较大的变化,并且会引起相界面附近低温液体的温升。基于双膜阻理论建立热质交换模型,通过模拟贮箱内非稳态热流过程,分析气枕空间在增压气体输送过程中温度场的变化及其对于贮箱内低温液氧的影响。

微重力下低温液氧贮箱热分层研究

为研究微重力下,在轨运行低温液氧箱体内部流体温度场分布,建立了相关数值模型,考虑了气液相变以及各空间辐射热流的影响。计算结果表明:当g为0 g_0时,表面张力驱使液相包裹气枕,并将球形气枕挤出壁面。由于箱内没有自然对流,箱体壁面流体会出现局部过热。当g增加到10^(-6)g_0时,表面张力作用仍较为明显。箱体内部物理场分布与0 g_0工况大致相同。当g增加到10^(-5)g_0时,液相已不能完全包裹气相,气相区一直与箱体顶部接触。当g增加到10^(-4)g_0时,此时箱体内部自然对流已十分明显,气相区大致呈带状,并与顶部壁面有较大的接触面积。短时间内,自然对流可及时将外部漏热带入箱体内部。另外,箱体压力随时间增长呈先降低后逐渐升高的趋势。重力越小,箱体压力也越小。最后通过对比还发现,初始边界条件设置对箱体内部物理场有较大的影响。

液氧贮箱增压过程研究

采用数值模拟方法对液氧贮箱增压过程进行研究。贮箱内流场采用流体体积函数(VOF)多相流模型考虑,选择标准双方程k-ε湍流模型分析湍流效应,气液两项之间的热量、质量转移通过自定义程序(UDF)求解。获得了贮箱压力、排液流量、气垫温度、液氧温度对贮箱内流场温度分布的影响。计算结果表明,在稳定增压过程中,贮箱液面无扰动,贮箱内温度分层分布;各参数变化时,对贮箱内温度分布的影响主要是温度梯度的变化,并且各工况下液面附近和扩散器附近温度梯度基本相同。

地面停放低温液氧贮箱热物理过程研究

针对低温推进剂箱体射前停放阶段,采用CFD技术数值研究了某低温液氧贮箱在地面停放阶段所经历的开口放置及高温气氧预增压过程。详细分析了该过程中箱体的压力变化、气液相变以及热分层现象。通过与相关试验结果对比,验证了本数值模型的有效性。计算结果表明:在液氧箱体开口停放阶段,在外部漏热下,箱体内部将出现剧烈的沸腾相变现象,并伴随着大量气泡的产生。随着时间的增加,用于低温流体相变的热量主要来自于外部漏热,此时相变过程主要发生在气液界面。在约150s时,相变强度逐渐趋于稳定。经过250s的地面开口停放,蒸发气体排放量约6.88kg。当低温箱体封闭,预增压过程开始,箱体压力将在所设定的压力上下限内波动变化。由于气相过热、液相过冷,在整个过程中气相都处于冷凝状态。随着高温气体的注入,气相质量呈现波动变化,由15.84kg增加到27.27kg。液相质量则近似线性增加,由最初的12 243.10kg增加到12 303.95kg。气液界面以下的液相呈现出较好的温度分层,气相温度分布则受增压气体影响较大,产生了一定的扰动。

液氧罐防火间距不足隐患治理技术

液氧罐与周边建(构)筑物防火间距不足的问题在新建企业中比较罕见。本文以某企业在安全验收评价时发现液氧罐防火间距不足隐患治理为例,为了预测液氧罐泄漏事故可能的事故后果,设定了液氧罐三种可能的典型泄漏事故情景,进行了泄漏事故后果计算。研究结果表明,液氧罐泄漏造成的空气中氧气浓度提高2.5%(相应约29630ppm)即可使动火作业受到影响,液氧罐泄漏事故后果影响范围较大。并在此基础上,提出了隐患治理的主要技术措施,具有实际意义。

发动机试验液氧贮箱放气系统动态特性研究

在液氧/煤油火箭发动机地面试验中,为得到液氧贮箱放气系统放气流量与放气阀门动作的响应特性,从而控制箱压的下降速率,验证液氧煤油发动机在低入口压力条件下的工作适应性,对液氧贮箱放气系统的动态特性进行了研究。建立了液氧贮箱二维计算模型,结合试验数据,对低温贮箱内气枕空间的非稳态换热过程进行研究,确定放出气体温度以及相应状态。应用CFD的动网格技术,建立二维计算模型,对放气系统阀门的开关动态特性与过流流量特性进行综合分析,获得了不同通径放气管路的放气流量与箱压的计算关联式,基于理想气体状态方程,完善了箱压计算理论模型。应用该模型量化分析箱压下降速率,为计算箱压控制的准确时间节点提供了操作参考。

长期在轨运行低温液氧贮箱内汽化过程的模拟

通过CFD(computational fluid dynamics)方法对长期在轨运行的某型液氧贮箱内的压力、温度、气液相界面等参数进行了模拟研究。计算了该型贮箱在轨运行时的平均漏热量为6.84 W·m^(-2)。对贮箱进行了5天的模拟计算,结果表明,贮箱上部的气枕区并不稳定;液相区存在相对高速运动的气团,削弱了液相区的温度分层,使得液相区温度基本均匀。在轨储存过程中,液相温升速率为1.18K·d^(-1),压增速率为23.7kPa·d^(-1)。结合贮箱内气液相运动特点,建立均相模型,该模型与CFD模拟结果吻合较好,可以用来预测长期在轨运行的低温推进剂贮箱内的压力、蒸发量等参数变化。

新一代运载火箭增压技术研究

随着新一代运载火箭研制的开展,新型120 t级高压补燃液氧煤油发动机将得到广泛的使用,该发动机采用的推进剂贮箱增压系统设计被列为新一代运载火箭研制的重大关键技术之一。在对国内外主要液体运载火箭增压方案进行分析的基础上对120 t级液氧煤油发动机的贮箱增压系统进行了研究,提出了液氧贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气加温增压,煤油贮箱采用压力传感器与电磁阀组合的常温氦气增压方案,并针对液氧贮箱采用常温氦气加温增压的方案开展了理论分析和全尺寸系统级试验研究。理论分析和试验结果表明,该增压方案可行。

不同搅拌系统气液氧传递的计算流体力学模拟

研究了搅拌槽中搅拌桨组合形式对气液氧传递特性的影响,主要采用Garcia-Ochoa和Gomez基于Higbie渗透理论提出的气液氧传递理论模型,在ANSYS CFX11.0软件基础上开发了用于模拟搅拌生物反应器中氧传递过程的方法。通过模拟比较了不同搅拌桨组合的气液氧传递系数,以及在有氧消耗和无氧消耗情况下反应器内饱和氧浓度的分布,发现上层为轴流式的三宽叶搅拌桨底层为径流式的六弯叶圆盘透平桨的组合形式氧供应能力最强,体积氧传递系数与桨的形式没有直接关系,同样的搅拌桨安装在不同的桨组合中或在不同的操作条件下所形成的体积氧传递系数是有差别的。