液氮供给系统液击现象仿真研究

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液氮等低温流体广泛应用于低温液体火箭、大科学装置、空气分离、氢能输运等领域。低温液体的供给系统中,当阀门开闭等原因导致流速剧烈变化时,会造成液击现象,宏观表现为管网系统中流体压力急剧变化,进而对供给系统的管壁产生极大的冲击力,使得过流部件损坏、管道破裂、造成低温流体外泄,甚至酿成事故。液击现象广泛发生于供给系统中,而现有的液击研究大多基于水和水管网系统。液氮等低温流体与常温流体相较,其体积弹性模量、粘性、密度等物性差别较大且极易汽化形成两相流,导致其与水管网系统中的液击现象存在差别,水管网中的液击相关结论在低温流体中的适用性也有待检验。本文以液氮为具体工质,根据中国空气动力研究与发展中心设计的某典型液氮供给系统,研究液氮供给系统液击现象成因与影响因素,探讨低温流体供给系统液击现象的抑制措施,本文主要开展了以下工作:(1)对液氮供给系统的液氮柱塞泵、缓冲罐、调节阀、喷嘴等关键部件进行了单独建模,进一步搭建了液氮供给系统的整体模型,对其展开了稳态工况下的仿真计算。仿真计算结果与实验结果吻合较好,验证了模型在稳态工况下的准确性。(2)针对单管的液击现象,展开了理论与仿真计算,液击压力、管道基频、二阶频率的仿真计算结果与理论计算结果吻合较好,证实了AMESim模型在液击仿真上的可行性,厘清了单管液击特性,为复杂液氮供给系统的液击仿真研究奠定了基础。(3)以液氮供给系统为研究对象,展开了液击现象的仿真研究,仿真计算结果与实验结果吻合较好;分析了密度、体积弹性模量、粘性、含气率对液击现象的影响,其中液击压力峰值随密度、体积弹性模量的减小而减小,随粘性和含气率的增大而减小。(4)针对液氮供给系统的液击现象,展开了相应的抑制措施研究,其中关阀历时的延长、先快后慢型时序的采用、蓄能器和波纹管的合理布置均能对液击现象起到不同程度的抑制。
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