תגיות Cryogenic Fluid Dynamics in Space Systems

נוזלים Cryogenic - גזים נוזליים מאוחסנים בטמפרטורות מתחת ל- 150 מעלות צלזיוס - הם הדם של מערכות הנעה לחלל מודרני ומערכת התמיכה בחיים. מימן נוזלי (LH2) וחמצן נוזלי (LOX) כוח המנועים העיקריים של רקטות כגון Raptor של SpaceX, Blue Origin's BE-4, ומערכת שיגור החלל של נאס"א ניהול נוזלים אלה במיקרו-גרפיים ומתנות תרמיות קיצוניות, יש לשנות את קצבת, כדי להבטיח יעילות הדלק המדויקת, ומהירות, בשלב זה חייב להיות מדויק.

דינמיקת נוזל Computational (CFD) כלים כמו:0.COMSOL Multiphysics עם מודול CFD מודולFLT:1 להציע מסגרת חזקה עבור סימולטור התנהגות נוזל Cryulating phoogenic זרימה נוזל, העברה חום, תרמודינמיקה, ושינויים בשלב בסביבה אחת, מהנדסים יכולים לבדוק עיצובי טנק, להאכיל קווים, ואסטרטגיות בידוד לפני בנוי מאמר זה מספק דינמיות ייצור גמישה עבור מודלים של תאים גמישים.

מדוע פלואידים בוכים דורשים סימולציה מיוחדת

בניגוד לנוזלים רגילים, Cryogens להציג הבדלים חזקים של רכוש עם טמפרטורה ולחץ. מימן נוזלי, למשל, יש צפיפות של רק 70 ק"ג / m3 בנקודה הרתיחה שלה ו מוליכות תרמית שמשנה בחדות ליד הנקודה הקריטית. משטרים של בוילינג - זרם, מעבר, וסרט רתיחה - יכול להיות coexist in aone בגלל קלט חום מקומי ממנועי השמש או קרינה סולרית.

המורכבות הזו הופכת את הקורלציה אמפירית לא אמינה עבור עיצוב.דמיית Multiphysics חייבת לפתור בו זמנית:

  • (ב) העברת חום:0) העברת חום: FLT:1 התנהגות באמצעות קירות טנק, הדבקה במגוגן, וקרינה ממקורות חיצוניים.
  • (ב) דינמיקה של שינוי שלבאז: 1FLT 1 evaporation, condensation ואפקטים של גז אמיתי ליד קו השכור.
  • [01:2] ,2-phase זרימה משטרים: bubbly, stratified, annular, ו- mist Flows in צינורות וטנקים.
  • (ב) ,0) המבנה האינטראקציה של המבנה: FLT:1, טיהור טנק תחת לחץ תרמי וזריקת צאצות.

הגישה הרב-פיזיקה שלCOMSOLSOL מאפשר למהנדסים לשלב את התופעות הללו במודל יחיד ולא להתמזג בין כלים נפרדים.

אפשרויות ל-ComSOL CFD עבור Cryogenic Modeling

שילוב של Equations ו- Turbulence Models

מודול CFD פותר את משוואות Navier-Stokes עבור מסה, מומנטום ואנרגיה, יחד עם מודל טורחה מתאים. עבור טנקים Cryogenic, FLT:0k ⁇ SSTFLT 1 מודל ביצועים טובים כי זה פותרת ליד קיר במדויק - קריטי עבור חיזוי העברת חום על פני הקיר.

שינוי שלב ו- Multiphase Flow

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

לא עניין Thermodynamics

התכונה של COMSOL:0 ריאל GasFLT:1 מציג מאפשר לך לייבא משוואות בסיסיות של המדינה כגון Peng-Robinson או Span-Wagner עבור תחזיות מדויקות מאוד של נכסים. עבור מימן וחמצן, משוואות אלה חיוניות ליד הנקודה הקריטית, שבו הנחות גז אידיאלי לתת שגיאות מעל 30 אחוזים.

המונחים:

ניתן להגדיר טבלאות רכוש מ-FLT:0 (NIST REFPROPillo Data) 1 ישירות ב- COMSOL, הבטחת צפיפות, חום ספציפי, מהירויות, ו מוליכות תרמיות הן פונקציות של טמפרטורה ולחץ.

שלב-בי-שלב תהליך דוגמנות ב-ComSOL

1.Gמטריה

התחל עם 2D Axiסימטרי או מלא 3D גיאומטריה של הטנק ה Cryogenic, קו להאכיל, או ראש דחף. עבור טנק דחף spherical spherical דחף sphert, כולל עובי הקיר, נמלים אינלטים / לא, baffles נגד מערב, ושכבות בידוד. Siלהגדיל מילויים לא קריטיים וחצץ כדי לשמור על מחסם.

2.הסתירה נכסים חומריים

צור חומר מותאם אישית עבור ה Cryogen באמצעות טבלאות NIST. לדוגמה, עבור LH2 ב 20 K עד 30 K, צפיפות יבוא כפונקציה של טמפרטורה ולחץ, ולהגדיר את התקינות דינמי באמצעות מודל לנרד-Jones. עבור קיר הטנק (למשל, אלומיניום 2219 או נירוסטה 316L), להגדיר מוליכות תרמית, צפיפות, ו coefficient של התרחבות תרמית בגלימה (כמו מתכת) עם לחץ רביר (Itraatives) תלוי מול מולקוליביות יעילה) עם לחץ על פני שטח (IRM) עם לחץ יעיל (IRML).

3.פיסיקה Interfaces ו-Coupling

הוסף את הממשקים הבאים מ- Model Wizard:

  • (ב) ויקרא י"ד:2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ויקרא י"א:2 ויקרא י"ד): "העברה בפרשת מזבח" (בראשית כ"ד, כ"ב)" (בראשית כ"ד).
  • (ב) ⁇ (או ⁇ ) ⁇ (או ⁇ ) לממשק מעקב, אם חוקר דינמיקות דו-פזה.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

עבור מודלים של רתיחה, להוסיף את FLT:0 [Heat SourceofFLT] 1 בממשק שווה לחום המנוח של vaporization פעמים שיעור ההחלמה.זה יכול להיות מיושם באמצעות ביטוי מוגדר למשתמש המפעיל כאשר הטמפרטורה הנוזלית מגיעה לנקודת השכור בלחץ המקומי.

4. תנאים קשים

תנאים אופייניים לטנקים מדחף במהלך שלב החוף:

  • משטח קיר חיצוני: גלי חום מקרינת השמש (למשל, 1.3 קילוואט / m2 בשעה 1 AU בתוספת כדור הארץ אינפרא אדום).
  • משטח קיר טנק: לא-Slip, חום חום חום פלוקס.
  • ממשק נוזלי-vapor: המשכיות של טמפרטורה, איזון המוני עם קצב שינוי שלב.
  • מיקום: לחץ על גבול שווה ללחץ מינוס הראש.
  • Inlet (למלאים): מצב גבול זרימת המונים.

עבור סימולציות מיקרו-גרביטטיביות, השתמש ב-FLT:0;0;Volume ForceFLT:1 למתח על פני השטח (מבוסס על מודל כוח פני השטח של רצף) ולהצית תאוצה לאפס או ערך זעיר של מיקרו-גיל (10–4 גרם).

5.התמכת אסטרטגיה

(ב) חיקוי איכותי הוא קריטי עבור סימולציות מבוכות (לפחות 5-10 שכבות prism) על הקיר הטנק כדי ללכוד ⁇ טמפרטורה תלולה באזור ממשק שתי שכבות, לחדד אלמנטים בגודל של בערך 1 מ"מ (עבור טנק של 1 מ"מ) כדי לפתור את הממשק LTF:0Freerated 3Falrated 3Kerlir 3Ki) עבור דגמי גבול 2D2D2DTl-Tl-Tl-Tlr-T.

בצע מחקר מתכנסות: להפעיל את המודל עם זיכוך כפול ולהשוות פרופילי טמפרטורה ועמדות ממשק. בחר את ה- mesh coarser שנותן תוצאות בתוך 2 אחוזים של הפתרון המעודן.

הגדרות Solver ו-Time Stepping

(ב) בעיות בכי הן לעתים קרובות טרנספורמטיביות (FLT:0Backward Differentiation Formula (BDF)BuildFLT:1 Solr of orderer 1 or 2 עם שלב ראשוני של 0.01s. for Coupled Physics, מאפשר ל-FLT:2 מטופח 3FLT 3FLT עם גורם לחי של 0.8 כדי לשפר את ההתכנסות, אם המודל לאט, לאחר מכן, לעבור שלב 4Feger:

התכנסות של מעקב על ידי בדיקת שאריות (נמוך 10-4) וכמויות מוחלפות (מאזן מס בתוך 0.1%).

7. Post-Processing and Analysis

תפוקה מרכזית כדי לחלץ:

  • (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"ד: "בְּבְתָּבְתָּבְתִּי הָאָרֶץ" (בראשית כ"ד).
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) ,4 אבולוציה (הדגשה על עיצוב מבני הטנק).
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ 0 (בשיתוף) כפונקציה של זמן - קריטי להערכת מכשירים לרכישות נוזליות.

כלי ה- COMSOL (בשיתוף:0) של COMSOL:0 (הערכים הממוקדים של COMSOL) יכולים באופן אוטומטי ליישר את הדליפה הכוללת של חום, מסה של vapor שנוצרת, ושברירית.

מקרה מחקר: סימול בולי-Off ב טנק מפיץ Cryogenic

שקול טנק LH2 spherical LH2 (radius 1.5 מ') עם 1 מ"מ קירות אלומיניום עבים 5 ס"מ של MLI.הכלי הוא 50 אחוזים מלא, בלחץ של 3 בר, עם נוזל בטמפרטורת הישיעה (כ 23 K). חום חיצוני פלוקס הוא 150 W / m2 מהסביבה תרמית של החללית.המטרה היא לחזות את שיעור הרתיחת מעל 24 שעות.

לאחר הקמת המודל כפי שתואר לעיל, הסימולציה מראה כי MLI מפחית את דליפת החום ל 8 W / m2. שיעור הליטוף מייצב ב-0.25 גרם לאחר transient הראשוני של 200 s. Parametric גורים מגלה כי הכפלת עובי MLI מפחיתה את העקומה על ידי 45 אחוזים, אבל העונש משקל עשוי לא להיות מקובל.

סימולציות כאלה ישירות מודיעות עיצוב המשימה.לדוגמה, הן יכולות לעזור גודל מערכת ventתרמודינמית (TVS) כי זה מתקרר באופן פעיל את הטנק כדי למנוע דיכוי יתר.

תגיות: Spacecraft Lifecycle

עיצוב מערכת האכלה

קווי הזנה Cryogenic חייבים להעביר נוזל ללא ריצוף או שתי phase זרימה שיכולה לככב במנועי.COMSOL מודלים של קו להאכיל - כולל bends, צומת ו שסתום - יכול לחזות טיפות לחץ לזהות אזורים שבהם רתיחה עלולה להתרחש עקב כתמים חמים מקומיים.FLT:0Mixture ModelFLT:1 עם מהירות ללכוד שלב הפרדה במיקרובי מזון, עוזר מהנדסים נוזליים כגון ערוצים.

מערכת הגנת הרמימה אימות

חומרי בידוד, כולל אווירוגליקס ושמיכות MLI, ניתן מודל כמו מדיה ⁇ או מוצקות שכבתיות עם התנהגות תרמית יעילה. על ידי הפעלת סימולציה של המדינה יציבה של הטנק עם חימום מזוודה הגרוע ביותר, מהנדסים לוודא כי בידוד שומר את הבכיגן מתחת לנקודת הרתיחה שלו לאורך כל המשימה.

פתח את פאצ'יל-Down and Fill Operations

מילוי טנק עם Cryogen מתנאים ambient מייצרת זעזועים יבשים ורמיוני טראנס ב COMSOL יכול להעריך את הזמן הדרוש כדי לצנן את קירות הטנק לטמפרטורות בטוחות (לעתים קרובות מתחת 100 K) לפני המילוי הראשי.מודלים אלה גם לעזור לייעל את קצב מילוי כדי למנוע היווצרות אדפור מופרז שיכול להזיק שסתום.

ניהול יעיל של Flight Proellant Management

⁇ במיקרו-גרביטציה גורמת להילוך נוזלי שיכול לערער על חללית.דמיות מבניות זעירות ב- COMSOL מאפשרות למהנדסים לעצב פעמוני, diaphragms, או מיכלי לחץ על פני השטח ששומרים על הנוזל התיישב.

בדיקות קרקעיות

לפני סימולציה ניתן לסמוך על טיסה, יש לאמת את הנתונים במבחן הקרקע.מודול הערכת פרמטר של COMSOL יכול להתאים פרמטרים לא בטוחים (למשל, התנגדות מגע, גורמי ראיית קרינה) כדי להתאים את קריאת thermocouple ממבחן תת-ממדי.מודל זה calibrated הופך את התאומה הדיגיטלית עבור מיכל הטיסה.

משאבים חיצוניים לנושאים מתקדמים

עבור מהנדסים המעוניינים להעמיק את הידע ה-CDCD המבוכה שלהם, המשאבים הבאים מומלץ:

  • (ב) מודל המדריכים של ה-Bil-Offrated Guide Model FLT:1 - דוגמה מתועדת לחלוטין עם זרימת multiphase ו-חום העברה.
  • (FLT:0) , NASAA's Cryid Management Technology Road MapveFLT 1:1 - מתאר אתגרים נוכחיים ונתוני מבחן עבור אימות.
  • (FLT:0) סקירה של מודל CFD של זרמי שתי phase Cryogenic 2phase 1:Felo: 1 - מאמר אקדמי המכסה את שיטות הטוב ביותר, מודלים סוערים ואלגוריתמים של שינוי שלב.

כיוונים עתידיים: תאומים דיגיטליים ולמידה של מכונות

הגבול הבא בדגימה נוזלית Cryogenic הוא יצירת תאומים דיגיטליים בזמן אמת.מודלים מסדרה מופחת (ROMs) ניתן לבנות מטאטאים parametric COMSOL, ולאחר מכן מוטבעים לתוך תוכנת טיסה לרכב עבור estimation המדינה. לדוגמה, ROM אשר צופה קצב רתיחה כתפקוד של דליפת חום, מילוי רמת האצה, יכול לרוץ במרווחים, ומאפשר על לוחצים.

למידת מכונה גם נכנסת לתחום.רשתות נילי המוכשרות על מסדי נתונים של סימולציות COMSOL יכולות לחזות את קריסת הלחץ לאחר התחדשות תמרונים מהר יותר ממודל רב-פיזיקה מלא.גישות היברידיות אלה לשמור על דיוק תוך חיתוך עלות חישובית על ידי פקודות של גודל.

COMSOL's (בשיתוף:0) LiveLink for MATLABABIRLT:1) הופך אותו פשוט לממשק נתונים סימולציה עם כלים כאלה AI, ומאפשר למהנדסים לשפר באופן מהותי את הROM שלהם עם נתונים חדשים של נאמנות גבוהה כמו המשימה מתקדמת.

מסקנה

מודלים של דינמיקת נוזל Cryogenic ב COMSOL CFD מספק מהנדסי חלל עם סביבה רבת עוצמה, מאוחדת להתמודד עם האתגרים הרב-פיזיקה של זרימת זמן נמוכה.מעיצוב קונספט ראשוני באמצעות פעולות טיסה, סימולציות אלה מאפשרות אפשרויות בידוד טובות יותר, מערכות להאכיל יעילות יותר, וניהול דחף בטוח יותר.על ידי מינוף משוואות גז אמיתי, מודלים מתקדמים, יסודיים ואימות נגד נתונים, יכול להפחית את הסיכון ואת זמני פיתוח.

הדוגמאות והזרימות העבודה שהוצגו כאן מציעים נקודת התחלה לבניית מודלים של CFD Cryogenic מבוהלים, שכן חקר החלל דוחף לעבר חלל עמוק יותר ומשימות ארוכות יותר, ניהול נוזל Cryogenic מדויק הופך אפילו יותר קריטי.הפיתוח המתמשך של COMSOL - במיוחד בזרימת מרובה-התרמיזה ובהפיכה תרמית - מציג אותו ככלי חיוני בתיבת הכלים של מהנדס החלל.