[发明专利]一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除方法

说明书

本发明涉及航天发动机利用技术领域，尤其涉及一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除方法，包括以下步骤：S1，建立待清除发动机的三维模型，并进行煤油清除过程的数值模拟，获得不同工况下发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度的模拟值；制备待清除发动机的试验件，并在与数值模拟相同的工况下进行煤油清除试验，获得不同工况下发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度的实验值；S2，设定标准误差，并计算模拟值与实验值之间的实验误差，当实验误差小于标准误差时，发动机采用数值模拟时的煤油清除参数进行清除。本发明通过数值模拟和实验研究发动机腔体进行循环吹除、抽吸操作清除附着于壁面与内部残留煤油过程，探究处理过程中的机理问题并得出最优处理方法。

技术领域

本发明涉及航天发动机利用技术领域，具体为一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除方法。

背景技术

火箭是世界各国进行太空活动的主要运载工具，且大多数的火箭发动机都是一次性的。开发可回收和重复使用的火箭发动机，可以节约火箭探索开发成本和缩短项目的研制周期。为降低一次性运载火箭发射成本，宇航界一直在致力于研制像飞机一样可以多次自由进出太空的重复使用运载器。占全箭成本三分之一的发动机，是重复使用运载器研究的重要部分。

火箭发动机在试车运行过程后，发动机腔体壁面会附着煤油膜，而这会带来燃料的残留，使得壁面附着液态煤油。由于发动机内壁面煤油的残留量直接影响下次的使用性能。所以发动机腔道内壁的煤油清除问题亟待解决。火箭发动机测试使用后的发动机内壁面残余煤油的清除是可回收和重复使用的火箭发动机面临的重要问题。

现有的发动机内壁清洗采用热氮气吹除和真空抽吸相结合的方式，在吹除时间、真空抽吸时间和真空度的选择上仍依靠传统的经验进行操作，现有清洁作业存在用时较长，清洁效果不理想等问题，缺乏科学的理论指导。

现行采取的试后清除的流程和步骤较为复杂，包括对发动机不同腔道的循高压氮气吹除、抽真空等操作，清除过程中存在煤油蒸发扩散及对流传质现象。目前对于壁面上残留煤油液滴蒸发扩散及对流传质机理的认识并不完善，工程应用中对于液滴蒸发扩散及对流传质过程多采用经验公式进行研究。因此，需深入研究发动机内壁碳氢化合物的蒸发扩散及对流传热传质机理。

发明内容

针对现有技术中存在的发动机内壁煤油清除流程较为复杂的问题，本发明提供一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于数值模拟液体火箭发动机内壁煤油的清除方法，包括以下步骤：

S1，建立待清除发动机内壁腔体的三维模型，并进行煤油清除过程的数值模拟，获得不同工况下发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度的模拟值；

制备待清除发动机内壁腔体的试验件，并在与数值模拟相同的工况下进行煤油清除试验，获得不同工况下发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度的实验值；

S2，设定标准误差，并计算相同工况下发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度模拟值与发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度实验值之间的实验误差，之后比较实验误差与标准误差来获取模拟结果；

当实验误差小于标准误差时，此时发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度模拟值是可靠的，发动机腔体内壁煤油蒸汽浓度模拟值对应的清除过程的参数设置是有效的，发动机采用数值模拟时的煤油清除参数进行清除；当实验误差大于标准误差时，对数值模拟时的煤油清除参数进行重新设置，直至实验误差小于标准误差。

优选的，在S1中，待清除发动机的数值模拟过程为：

S11，采用Solidworks建立待清除发动机的三维模型，建模时腔体左端及右端设置有气体进口及气体出口，腔体中间设置有抽吸口；

S12，利用网格划分软件ICEM划分三维模型的计算网格，计算网格为非结构网格；