火箭贮箱液体防晃特性数值分析.pdf
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1、第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)火箭贮箱液体防晃特性数值分析宣传伟,王吉飞,王亚博,刘锦凡,孙阳,张众(上海宇航系统工程研究所,上海 201109)摘要:基于计算流体动力学(CFD)仿真对某型火箭液体贮箱 3种不同构型防晃装置的防晃特性进行对比研究。采用连续小波变换方法对贮箱晃动阻尼进行了辨识。仿真结果表明:当充液比为 50%时,增加半月形防晃板或在十字隔板上打孔(孔的总面积小于十字隔板总面积 10%)对液体晃动频率的影响较小(不足 10%),但对晃动阻尼影响明显。增加半月形防晃板可将晃动阻尼提高约
2、15%,而在十字隔板上打孔可将晃动阻尼提高约 84%。由此说明,隔板打孔在减轻防晃装置重量的同时也具有显著的防晃效果。关键词:液体火箭;数值仿真;液体晃动;阻尼辨识;液体贮箱中图分类号:V475.1 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.s1.007Numerical Analysis on Liquid Sloshing of Rocket TanksXUAN Chuanwei,WANG Jifei,WANG Yabo,Liu Jinfan(Aerospace System Engineering Shanghai,Shanghai 201109,Chi
3、na)Abstract:Based on Computational Fluid Dynamics(CFD)simulations,a comparative study was conducted on liquid sloshing suppression of three different sloshing suppression systems for a particular type of rocket s liquid tank.The Continuous Wavelet Transform(CWT)was applied to assess the tank sloshin
4、g dampness.The simulation indicated that when the liquid fill ratio reached 50%,the addition of a semicircular sloshing suppression plate or perforations on the cross-partition(with a total perforation area of less than 10%of the cross-partition area)performed a minimal effect on the liquid sloshing
5、 frequency(less than 10%),and a significant impact on the sloshing dampness.A semicircular sloshing suppression plate increased the dampness by approximately 15%,while perforations on the cross-partition enhanced the dampness by approximately 84%.These findings demonstrate that the partitions perfor
6、ation reduces the weight of the sloshing suppression plate and exhibits a remarkable suppression effect.Key words:Liquid rocket;Numerical simulation;Liquid sloshing;Damp identification;Liquid tank0引言 液体运载火箭所用推进剂(四氧化二氮、偏二甲肼、煤油、液氧、液氢和甲烷等)位于各级贮箱内。火箭飞行中,贮箱内液体受到箭体姿态以及外界环境干扰会发生晃动。主要表现为自由液面的往复运动,具有晃动频率、阻尼和
7、振型。其作为低频振源,可能与箭体控制系统构成耦合振动,降低控制稳定性。为降低推进剂晃动对箭体控制的不利影响,需采取防晃措施1-3,常采用在箱壁上安装防晃板(如半月形防晃板)、在贮箱中间设立隔板(如十字隔板)以及在中间隔板上打孔等方式。针对防晃特性的研究着重于获得液体晃动频率、阻尼等参数。早期的研究一般在一定简化假设基础上采用理论分析和试验的方法4-5,适用范围有限。随着计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真技术的迅猛发展,基于有限体积的流体体积(Volume of Fluid,VOF)方法在液体晃动特性研究上得到 广 泛 应 用6-7并 取 得
8、了 明 显 进 步。林 宏8基 于CFD 仿真计算得到三维液体自由液面振型和等效动力学特性,通过将仿真结果与试验结果进行对比验证了仿真方法的正确性。YANG9采用 CFD 仿收稿日期:20230528;修回日期:20230610作者简介:宣传伟(1990),男,博士研究生,工程师,主要研究方向为运载火箭气动设计47第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)真针对不同贮箱构型和充液比例进行了晃动参数辨识,并与经典理论分析结果做了对比,结果表明CFD 仿真技术能提供更好的辨识精度。可用于研究液体推进剂对火箭发射安全
9、性和精度的影响,魏冬冬10采用半隐式粒子法(Matrix Product State,MPS)对火箭发射过程中贮箱内液体推进剂的晃动特性进行了仿真分析。通过与不考虑推进剂晃动的结果对比说明推进剂晃动会明显加剧发射过程中箭体的扰动,降低发射稳定性。王丽霞11基于流体体积(Volume of Fluid,VOF)理论提出了一种快速高效的液体火箭贮箱晃动参数计算方法,采用CFD 仿真获得了圆柱形贮箱内液体推进剂晃动力曲线,通过对晃动力曲线进行分析提取出等效动力学 特 性 参 数,与 理 论 解 的 对 比 验 证 了 方 法 的 正确性。本文基于 CFD 仿真对某型火箭贮箱不同构型防晃装置的防晃特性
10、进行了研究。3种构型为基本型(由十字隔板和环形防晃板构成,下称构型一)、基本型增加半月形防晃板(下称构型二)、基本型隔板打孔(下称构型三)。主要考察半月形防晃板和十字隔板打孔对贮箱内液体晃动特性的影响,从而优化液体火箭贮箱防晃设计方法,进一步降低液体晃动可能带来的控制不稳定性风险,增强设计可靠性。1计算方法 1.1CFD算法本文采用 VOF 方法对液体晃动进行模拟。由于液体晃动要遵循非惯性坐标系下的物理守恒定律,于是需对惯性坐标系和非惯性坐标系的 Navier-Stokes方程进行转换。连续方程为u?ixi=0(1)动量方程为u?it+u?ju?ixj=-1Pxi+1xj(mij+Rij)+a
11、?i (2)式中,对于三维流动i,j=1,2,3;u?为速度;P为压力;为密度;mij=2Sij,Rij=2tSij,Sij=12(u?ixj+u?jxi);a?为附加加速度,可表示为a?=a?cg+a?r+2?u?+?r?+?(?r?)(3)式中,a?cg为重心平移的线加速度;a?r为非惯性坐标系相对于惯性坐标系的移动牵连加速度;2?u?为科式加速度;?r?为牵连角加速度;?(?r?)为牵连向心加速度;r?为相对于非惯性坐标系的位置矢量。上述方程求解过程中,对流项的离散采用二阶迎风格式,并采用 MUSCL格式进行通量重构,扩散项的离散采用中心差分格式,时间步推进采用双时间步格式,湍流模型采用
12、两方程 k-e模型。1.2基于连续小波变换的阻尼辨识方法1.2.1连续小波变换与傅里叶变换(Fourier Transform,FT)相比,连 续 小 波 变 换(Continuous Wavelet Transform,CWT)和 短 时 傅 里 叶 变 换(Short Time Fourier Transform,STFT)都有着相同的优点,可同时在时域和频域观察信号。而与 STFT相比,CWT有着窗口自适应的特点,即高频信号时间分辨率高,低频信号频率分辨率高。由于在工程中常常比较关心低频的频率数值和高频成分出现的时间,所以应用广泛。小波(Wavelet)是指时间上衰减较快的波形,其在无穷
13、远处和零时刻幅值都为 0,是 CWT 的基函数。最常用的 Morlet小波可写成式(4),波形如图 1所示。(t)=e-t2/2ej0t(4)设x(t)为平方可积函数,(t)为基本小波或母小波的函数,则连续小波变换定义为wtx(a,b)=1a-+x(t)*()t-badt=(5)图 1Morlet小波Fig.1Morlet wavelet48第 40 卷 2023 年第 s1 期宣传伟,等:火箭贮箱液体防晃特性数值分析式中,ab=1a(t-ba)是基本小波的位移与尺度伸缩,其中,a 0是尺度因子,b是平移因子;*代表取共轭。CWT 的基本原理就是用不同尺度的小波逐个窗口去卷积,得到小波系数矩阵
14、,可从时域和频域两个方面去理解。时域内,小波不断地沿时间轴移动,每移动一次便与当前窗口内信号进行比较(卷积),得到系数,系数越大说明小波与当前信号拟合越好。移动过程中须保持当前窗口长度与小波长度相同。频域内,通过对小波的长度进行缩放(拉伸或压缩)实现频率的变化,同样与原始信号进行卷积得到系数(窗口长度随着频率的改变而改变)。高频处小波会被压缩,窗口变窄,因此具有更高的时间分辨率。最后,沿着时间轴将不同频率小波系数组合起来便可得到原始信号的时频特性。1.2.2阻尼计算考虑一个系统的自由响应信号:x(t)=Be-ntcos(dt+)(6)式中,B为振动幅值;n为无阻尼固有频率;d=n1-2为有阻尼
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