衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝熱力學(xué)特性數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)值模擬試方法，特別是涉及衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝及加注過程中 的熱力學(xué)特性數(shù)值模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)工質(zhì)為氣氣，由于氣氣分子量大、恪點(diǎn)高、沸點(diǎn)高及臨界點(diǎn)高等特 殊的物理性質(zhì)，電推進(jìn)系統(tǒng)工質(zhì)氙氣充裝、發(fā)射場加注及在軌存儲使用等存在眾多未知因 素，安全風(fēng)險高，氙氣地面存儲、測試、加注及在軌存儲使用技術(shù)難度也較大，無相應(yīng)的基礎(chǔ) 試驗數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣在地面測試及加注過程參數(shù)覆蓋范圍廣，目前國內(nèi)外無 法進(jìn)行全過程范圍的氙氣熱力學(xué)特性物理試驗，也無法獲得氙氣全過程范圍的充裝熱力學(xué) 特性試驗數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星充裝及發(fā)射場加注對衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣瓶內(nèi)部熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)預(yù) 估要求范圍廣，壓力范圍：〇~17MPa，溫度范圍：-20°C~100°C，密度范圍Okg/Ι~2. 3kg/ 1，而且對充裝熱力學(xué)特性參數(shù)預(yù)估精度也要求較高，要求預(yù)估精度控制偏差優(yōu)于0. 5%。目 前無專門描述氙氣充裝特性的狀態(tài)方程，現(xiàn)有的熱力學(xué)狀態(tài)方程對氙氣流體計算預(yù)估產(chǎn)生 很大的誤差，總體要求研宄出符合氙氣本質(zhì)的實際流體狀態(tài)方程.對氣相、液相和超臨界 區(qū)，要求壓力及密度計算與測試偏差優(yōu)于0.5%，因此，研宄電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝及加注過 程數(shù)值模擬方法有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目是提供一種衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝熱力學(xué)特性數(shù)值模擬方法，以便 仿真計算出衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝及加注過程氙氣瓶內(nèi)部的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)。
[0004] 本發(fā)明的衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝熱力學(xué)特性數(shù)值模擬方法包括：步驟S101，建 立氙氣流體狀態(tài)方程，包括：用最小二乘法數(shù)值插值擬合建立氙氣熱力學(xué)特性的RK方程、 BWR方程及Helmholtz方程，比較分析三種不同類型的經(jīng)驗參數(shù)方程；
[0005] 步驟S102,根據(jù)氣氣在特定狀態(tài)或區(qū)域范圍熱力學(xué)參數(shù)來選擇所述氣氣熱力學(xué)特 性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程三種不同類型的經(jīng)驗參數(shù)方程的一種或多種；步 驟S103,通過設(shè)置模擬參數(shù)進(jìn)行氙氣充裝特性數(shù)值模擬。
[0006] 進(jìn)一步，在步驟SlOl中，基于飽和蒸氣壓實驗數(shù)據(jù)、飽和液相密度實驗數(shù)據(jù)和氣 液相PVT實驗數(shù)據(jù)，來擬合建立氙氣熱力學(xué)特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程。
[0007] 進(jìn)一步，在步驟S102中，在高溫低壓區(qū)，可以選擇RK方程、BWR方程及Helmholtz 方程中的一種。
[0008] 進(jìn)一步，在步驟S102中，對于單相區(qū)、氣液兩相的超臨界區(qū)及氣相區(qū)，選擇 Helmholtz方程；內(nèi)對于高溫低壓區(qū)，選擇RK方程。
[0009] 進(jìn)一步，在步驟S103中，所述模擬參數(shù)包括：溫度、壓力、比容、質(zhì)量，其中，對溫 度、壓力及密度中任意兩個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
[0010] 進(jìn)一步，用可視化方式來展示模擬結(jié)果，包括：步驟1):設(shè)置模擬參數(shù)的單位，模 擬參數(shù)包括：溫度、壓力、比容、質(zhì)量、密度，其中，模擬參數(shù)默認(rèn)設(shè)置為SI國際單位制，溫度 可選擇設(shè)置為SI使用攝氏度；步驟2):設(shè)置溫度、壓力及密度中的任意兩個參數(shù)的數(shù)值范 圍，壓力，溫度的范圍包括起點(diǎn)溫度、終點(diǎn)溫度、步長；步驟3 :設(shè)置X坐標(biāo)軸、繪圖精度、是否 繪制飽和線，得到相應(yīng)的計算值或可視化視圖，參數(shù)輸出包括用于特定壓力、溫度及密度條 件下氙氣某一參量計算表和進(jìn)行全量程氙氣充裝熱力學(xué)特性中文可視化數(shù)據(jù)圖描述。
[0011] 本發(fā)明技術(shù)方案的特點(diǎn)包括：
[0012] 1.本發(fā)明在選擇實驗數(shù)據(jù)上不僅包括國內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)，還包括國內(nèi)外各研宄機(jī)構(gòu) 公布的權(quán)威實驗數(shù)據(jù)，保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及建立方程模型的準(zhǔn)確性。
[0013] 2.本發(fā)明建立的方程模型是氙氣熱力學(xué)性質(zhì)的高精度理論方程表征，通過最小二 乘法數(shù)值插值擬合計算方程模型參數(shù)，并將方程模型數(shù)值模擬軟件化，根據(jù)氙氣三種計算 模型應(yīng)用JAVA開發(fā)平臺編制的氙氣熱物性數(shù)值模擬軟件計算特定狀態(tài)或區(qū)域范圍熱力學(xué) 參數(shù)，建立了全溫度及壓力范圍的數(shù)值計算分析軟件。
[0014] 本發(fā)明是衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝試驗實現(xiàn)的重要方法，具備衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙 氣充裝全溫度與全壓力范圍數(shù)值模擬與試驗，具有適應(yīng)性強(qiáng)、精度高及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明的模擬方法的流程圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明的模擬方法采用的氙氣實驗數(shù)據(jù)；
[0017] 圖3可視化視圖設(shè)置；
[0018] 圖4計算得到的氙氣壓力-密度曲線的一個示例。
【具體實施方式】
[0019] 以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的【具體實施方式】，下面通過【具體實施方式】對本 發(fā)明的所述內(nèi)容作進(jìn)一步的闡明。當(dāng)然，描述下列【具體實施方式】只為示例本發(fā)明的不同方 面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明方法主要包括以下流程：
[0021] 1)氙氣流體狀態(tài)方程建立
[0022] 在步驟SlOl中，建立氙氣流體狀態(tài)方程，包括：用最小二乘法數(shù)值插值擬合建立 氙氣熱力學(xué)特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程，比較分析三種不同類型的經(jīng)驗參 數(shù)方程。
[0023] RK方程是一種經(jīng)典的參數(shù)較少的經(jīng)驗方程，方程的形式簡單，規(guī)律性強(qiáng)，使用方 便，一般考慮分子間引力的存在和氣體總體積中分子本身體積的因素，對于熱力學(xué)狀態(tài)方 程進(jìn)行修正所得到的。
[0024] BWR方程（Benedict-Webb-Rubin方程）及Helmholtz方程是多參數(shù)方程，多參數(shù) 狀態(tài)方程也是經(jīng)驗方程的一種。Helmholtz方程較好地描述物質(zhì)屬性的一種方程，其綜合考 慮極性分子及非極性分子的不同，以及分子間相互作用的影響，對流體擬合了具有12個系 數(shù)的方程，采用了同時擬合的方法，獲得了比較高的擬合精度。
[0025] 本發(fā)明采用的實驗數(shù)據(jù)有飽和蒸氣壓實驗數(shù)據(jù)、飽和液相密度實驗數(shù)據(jù)、氣液相 PVT實驗數(shù)據(jù)，PVT分別表示壓力、體積及溫度。其中，研宄的PVT實驗數(shù)據(jù)在壓力-溫度曲 線上的分布如圖1所示。
[0026] 經(jīng)典的RK方程如公式⑴所示。
【主權(quán)項】
1. 一種衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝熱力學(xué)特性數(shù)值模擬方法，其特征在于，包括： 步驟S101，建立氙氣流體狀態(tài)方程，包括：用最小二乘法數(shù)值插值擬合建立氙氣熱力 學(xué)特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程，比較分析三種不同類型的經(jīng)驗參數(shù)方程； 步驟S102,根據(jù)氙氣在特定狀態(tài)或區(qū)域范圍熱力學(xué)參數(shù)來選擇所述氙氣熱力學(xué)特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程三種不同類型的經(jīng)驗參數(shù)方程的一種或多種； 步驟S103,通過設(shè)置模擬參數(shù)進(jìn)行氙氣充裝特性數(shù)值模擬。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝熱力學(xué)特性數(shù)值模擬方法，其特征 在于，在步驟SlOl中，基于飽和蒸氣壓實驗數(shù)據(jù)、飽和液相密度實驗數(shù)據(jù)和氣液相PVT實驗 數(shù)據(jù)，來擬合建立氙氣熱力學(xué)特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝熱力學(xué)特性數(shù)值模擬方法，其特征 在于，在步驟S102中，在高溫低壓區(qū)，可以選擇RK方程、BWR方程及Helmholtz方程中的一 種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝熱力學(xué)特性數(shù)值模擬方法，其特征 在于，在步驟S102中，對于高溫低壓區(qū)，選擇RK方程；對于單相區(qū)、氣液兩相的超臨界區(qū)及 氣相區(qū)，選擇Helmholtz方程。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝熱力學(xué)特性數(shù)值模擬方法，其特征 在于，在步驟S103中，所述模擬參數(shù)包括：溫度、壓力、比容、質(zhì)量，其中，對溫度、壓力及密 度中任意兩個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝熱力學(xué)特性數(shù)值模擬方法，其特征 在于，用可視化方式來展示模擬結(jié)果，包括： 步驟1):設(shè)置模擬參數(shù)的單位，模擬參數(shù)包括：溫度、壓力、比容、質(zhì)量、密度，其中，模 擬參數(shù)默認(rèn)設(shè)置為SI國際單位制，溫度可選擇設(shè)置為SI使用攝氏度； 步驟2):設(shè)置溫度、壓力及密度中的任意兩個參數(shù)的數(shù)值范圍，壓力，溫度的范圍包括 起點(diǎn)溫度、終點(diǎn)溫度、步長； 步驟3 :設(shè)置X坐標(biāo)軸、繪圖精度、是否繪制飽和線，得到相應(yīng)的計算值或可視化視圖， 參數(shù)輸出包括用于特定壓力、溫度及密度條件下氙氣某一參量計算表和進(jìn)行全量程氙氣充 裝熱力學(xué)特性中文可視化數(shù)據(jù)圖描述。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝熱力學(xué)特性數(shù)值模擬方法，包括：步驟S101，建立氙氣流體狀態(tài)方程，包括：用最小二乘法數(shù)值插值擬合建立氙氣熱力學(xué)特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程，比較分析三種不同類型的經(jīng)驗參數(shù)方程；步驟S102，根據(jù)氙氣在特定狀態(tài)或區(qū)域范圍熱力學(xué)參數(shù)來選擇所述氙氣熱力學(xué)特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程三種不同類型的經(jīng)驗參數(shù)方程的一種或多種；步驟S103，通過設(shè)置模擬參數(shù)進(jìn)行氙氣充裝特性數(shù)值模擬。本發(fā)明能夠?qū)πl(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)氙氣充裝特性進(jìn)行模擬，對氙氣充裝全溫度與全壓力范圍數(shù)值模擬試驗和預(yù)估，具有適應(yīng)性強(qiáng)、精度高及使用方便的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G01M99-00, G01N25-00
【公開號】CN104777183
【申請?zhí)枴緾N201410602728
【發(fā)明人】喻新發(fā), 趙月帥, 孫立臣, 洪曉鵬, 竇仁超, 李曉陽, 孟冬輝, 閆榮鑫, 韓琰, 竇威, 王靜濤
【申請人】北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2014年10月31日