航天器热控单相流体回路水击效应仿真研究

随着航天器平台和应用载荷的功耗日趋增大，采用流体回路技术进行航天器热管理和控制的趋势日益明显。航天器热控单相流体回路已经成功应用于我国神舟系列飞船和天宫目标飞行器，并且在后续空间站、探月工程及高热流密度飞行器等重大任务中也将被应用，其主要作用是实现热量的收集、运输、分配以及排散，最终实现航天器的热量管理。

阀门是流体回路必不可少的组成部件。单相流体回路阀门在关闭过程中，可能会产生水击效应。水击是流体与导管结构的一种瞬态交互作用[1]，严重的情况下，水击产生的最大压力可能数倍于工作压力，会对流体回路设备和管路密封接头等造成损伤甚至破坏[2]，严重时会导致流体回路泄漏，从而引起灾难性事故。仅通过加厚管壁避免水击风险，会带来不可接受的质量代价。同时，水击的低压还会导致气蚀、液柱分离，也会对泵阀带来危害[3]。

国内外航天器关于流体水击效应的研究主要集中在推进开式系统领域[4-5]。文献[4]介绍了一种通过对推进管路加热恢复管内压力，从而抑制自锁阀动作导致的水击压力的方法，并用工程试验和数值模拟对其可行性进行了验证。文献[5]以姿态轨道控制液体火箭发动机为研究对象，利用AMESim软件，仿真计算了发动机系统管路中的水击压力。文献[6]针对飞行器推进系统填充和关机过程的水击问题进行了仿真研究，分析了节流孔、弯管对水击的抑制作用。但目前，针对航天器热控单相流体回路闭式系统的水击研究还未见相关文献报道。

本文以一种典型的航天器单相流体回路作为研究对象，进行了自锁阀关闭时回路水击效应的瞬态分析。通过仿真，得出水击效应在单相流体回路中发生的规律及影响，从而指导单相流体回路进行规避水击效应的设计，以提高航天器流体回路设计的可靠性。

1 仿真对象和典型水击工况

航天器热控单相流体回路一般由泵、温控阀、自锁阀、补偿器等设备以及流体导管组成，泵提供驱动流体循环的动力，温控阀是一种三通阀设备，通过调节分配冷热流体的流量实现目标温度的控制，自锁阀是自动化控制的截止阀门。长寿命飞行器如空间站在轨运行时间要达15年以上，长期在近地轨道飞行，使得飞行器暴露在舱外的导管例如辐射器管路，被微流星体和空间碎片撞击的概率大大增加。

为了避免空间碎片或者微流星击穿流体回路导管导致热控失效，一般将辐射器的管路并联设计，如图1的M4和M5管段。当流体回路计算机管理程序发现流体回路发生了泄漏，则首先关闭所有并联支路进出口的自锁阀，经过诊断后，再开启未泄漏支路的自锁阀，保持泄漏支路自锁阀为关闭状态，以实现泄漏支路的隔离。在流体支路进出口自锁阀关闭、开启的过程中发生的水击效应规律及如何进行规避水击效应，是本文仿真研究的对象。

  

图1 一种含有并联支路的典型单相流体回路原理图Fig.1 Schematic diagram of typical single phase fluid loop with parallel branches

自锁阀开关的瞬态分析主要考核流体回路正常运行过程中，由于某种紧急需求需要隔离(或隔离后需要启用)某条支路时，支路进出口自锁阀开关动作。本文选取图1中自锁阀g、h所在的支路为研究对象，重点研究自锁阀g、h关闭的先后顺序以及动作间隔对水击效应的影响，通过仿真得到流体回路各处由于水击效应产生的瞬态压力情况。

(1)自锁阀动作尤其是自锁阀组合关闭时，应避免同时关闭，且动作间隔时间要远大于自锁阀阀芯自身动作的时间，以降低回路水击引起的压力脉动极值。这是由于如果进出口自锁阀同一时刻关闭，阀门动作引起的流体压力脉动不能向外传递而在阀门之间叠加振荡，产生较大的压力极值。

2 基于特征线法的水击数学模型

本节介绍基于特征线法的单相流体回路水击计算基本数学模型和计算方法，建立水击计算的相关边界条件和数值计算方程[7-10]。

地缘文明指的是地缘理论在文明领域中的研究与应用，以文明研究的视角“对特定民族、国家或文明之间存在的不可更改、不可复制、不可逃避的毗邻关系进行描述，进而对古往今来人类共同体之间因先天性频临关系而发生的经济、文化和政治互动或者互动中的可能性加以讨论。”[1]显而易见，地缘文明的地理性是在特定空间区域范围内的文明或历史文化的地缘集合体，这些地缘集合体拥有类似的历史文化记忆，分享类似的语言、宗教、风俗习惯和价值观。

2.1 封闭管道非定常流基本方程

在单相流体回路系统中，管道为封闭管道，其一维非定常流基本方程由运动方程和连续方程两部分组成，两个方程式表达如下。

教师不要担心被问倒，教师对某本课外书没有全盘了解也不要担心。艾登·钱伯斯说：“教师应该建立这样的观念：不是只有自己知道答案的问题才能提出来讨论。身为教师应该坦然告诉孩子们自己并非全知全能，但绝对愿意和大家一起动脑筋，试着找出答案。”

运动方程式为

由表５可以看出，Logistic回归得到年级、性别、补救措施与选择校园贷成正相关，而生活费、开销占比、期望用途、风险意识和周边环境的回归系数为显著负相关．这表明大学生选择校园贷的总体趋势为：在刚进入大学的新鲜期大学生对校园贷并未深入接触，而随着慢慢熟悉大学校园以及面临就业，大学生校园贷的可能性也在增加；周边校园贷现象越多，个体选择校园贷款的可能越低；校园贷在性别上存在显著差异；在较高的消费欲望驱使下，拥有低生活费的人群或开销高于自身生活费的群体往往有着较高的贷款可能性．此外，大学生风险管控意识越强，选择校园贷的可能性就越小．不过，从模型所得到的值来看，该模型的统计检验性有待提高．

 

(1)

[5] 张峥岳,康乃全.轨姿控液体火箭发动机水击仿真模拟[J].火箭推进,2012,38:12-16

 

(2)

式中：H=Z+P/(ρg)，其中Z为管道轴线高程，P为压力，ρ为液体密度，g为当地重力加速度为管道中流体的平均流速；f为达西-威斯巴哈摩擦系数；D为管道内直径；x为管道沿轴线方向长度；a为管道中流体的波速；t为瞬变时间；α为管道轴线与水平面的夹角。

2.2 特征线方程

用流量和流速的关系代替式(1)和(2)中的值，Q为管道中流量；A为管道断面面积。令式(1)为L1，式(2)为L2，将这两个公式线性组合，得到

 

(3)

式中：λ是一个待求的线性因子。式(3)即为封闭管道瞬变流的基本偏微分方程，要使式(3)变成全微分方程的条件是

 

(4)

因而有

λ=±g/a

(5)

λ=±g/a代入式(3)，同时考虑对于微重力下，g的值较小可以忽略所在项，便得到分别沿特征线两个方向上成立的两对常微分方程：

C+微分方程为

杜威认为：“一切教育活动的首要根基在于儿童本能的、冲动的态度和活动。”[7]但如果“实验”仅仅等同于“活动”，显然缺少了数学教育的价值。回顾以上几个教学案例，可以看到，我们设计的每一节数学实验课，都是带着对数学问题的思考，带着对学生学习中遇到的问题与他们对困难的理解而设计。我们理解的数学实验，数学是核心内容，促进学生隐性知识的积累是目的，实验是教学方式。虽然教学环境下的实验，不那么精准，但它却极具生态性，让隐性知识的教学变得可操作、可把握。希望数学实验课能够带领学生在“发现”“研究”“探索”中不断成长。

 

(6)

C-微分方程为

 

(7)

式(6)、(7)中，上式称为C+或C-特征线方程，下式称为在C+或C-上成立的相容性方程。在一般情况下，由于故可在特征线方程中略去

进行水击计算时，假设时间步长为Δt，把管长为L的管道分成每段长Δx的若干段，每段时间步长为Δt=Δx/a，就得到x～t平面上的矩形计算网格，如图2所示，矩形网格的对角线正好是特征线。

Zhang Zhengyue, Kang Naiquan. Simulation of water hammer in liquid rocket engine of orbit and attitude control system[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2012, 38:12-16 (in Chinese)

从时间为零时的定常流状态开始求解，管道每一个计算截面上的P和Q的初始值是已知的。首先沿着t=Δt求解每个网络点的P及Q，然后在t=2Δt

上计算，依此类推，一直计算到所要的时间为止。

汉代服饰奠定了中国传统服饰的基础，但楚国时期和秦国时期文化对汉代服饰的特点和风格造成了一定程度上的影响，楚浪漫与肆虐，秦浑朴与谨饬，汉代服饰浪漫浑朴的风格就是继承楚秦形成的，而后又经过自身的不断发展最终成为独具特色的汉代服饰风格，对其后的服饰提供模范和借鉴。

  

图2 封闭管道特征线网格Fig.2 Characteristic grid of closed end pipe

3 水击仿真分析

本文基于特征线法的水击数学模型，对自锁阀g、h同时关闭以及关闭间隔为-1.0 s、-0.1 s、-0.5 s、0.0 s、+0.1 s、+0.5 s、+1.0 s的工况进行计算，其中0.0 s表示自锁阀g、h同时关闭；负时间差表示自锁阀g先于自锁阀h关闭。利用Flowmaster软件研究不同关闭策略下水击导致的压力包络线与压力极值[11-12]。工质为全氟三乙胺，流量为450 L/h，导管通径为17 mm，壁厚为1.5 mm，材料为SUS304不锈钢，计算温度为20 ℃，工质波速为568 m/s，摩擦系数为0.033。

3.1 自锁阀g、h同时关闭

从图3仿真结果中可以看出，M5段出现负压现象，最小压力为-0.084 MPa，发生在2.370 m处，其中沿程距离指某位置沿流动方向与起点之间的距离。-0.084 MPa为工质的气化压力，但低压持续时间极短，之后又迅速恢复正压，气化现象不明显。系统最大压力为0.943 MPa，发生在M5段0.270 m处，M5段是包含自锁阀g、h的管段，压力极值波动较大，这是因为自锁阀g、h关闭过程中，压力波被阻断在自锁阀g、h之间传播，从而导致自锁阀g和h的进出口压力发生了剧烈的振荡，并且M5管段的最大压力极值明显高于其它管段。

黑龙江省农业生产是主要经济来源，但农业生产受自然条件约束极大，“靠天吃饭”，导致农民收入状况很不稳定。黑龙江二、三产业发展欠发达，农村贫困人口数量较大，总体素质不高，大多数农民参与产业结构调整的能力比较脆弱，没有掌握先进资源和技术的能力，自身脱贫的能力差，经济收入增长较慢，收入来源单一，加之贫困主体脱贫参与性差，处于“等靠要”的状态，致使贫困进入一个恶性循环状态。

 

  

图3 流体回路管段压力极值及发生位置Fig.3 Pressurepeak and it’s location of fluid loop pipes

从图4对比自锁阀g和h 进出口压力变化可知，同时关闭g、h时，进出口压力变化趋于相同，其值相差为g、h间的沿程损失；补偿器处的压力略有波动，但维持在稳态工况压力；泵进出口压力在自锁阀关闭动作时开始波动，0.90 s后泵进口压力趋于稳定0.158 MPa，泵出口压力趋于稳定0.355 MPa。

 

 

 

  

图4 流体回路重要设备处压力变化情况Fig.4 Varying curves of pressure at key facilities of fluid loop

3.2 自锁阀g、h间隔关闭

对自锁阀g、h关闭不同时间间隔的工况仿真结果进行了汇总，归纳于表1，可以看出，当进出口自锁阀关闭时间有一定间隔时，进出口自锁阀之间的压力极值要小于进出口自锁阀同时关闭的极值。另外，入口自锁阀先于出口自锁阀关闭时，其压力极值要小于先关闭出口自锁阀。当自锁阀g、h关闭有一定时间间隔时，各个管段的压力极值是一样的，这是由于自锁阀的自身关闭时间只有0.8 ms，远小于自锁阀g、h关闭的间隔时间，即说明当自锁阀g、h关闭时间间隔远大于自锁阀自身动作时间时，关阀产生的压力极值都是一样的。另外，由于流体回路的基础压力较低，因此水击发生时压力极小值约等于工质的气压压力。由于极小值持续时间短，加之泵入口补偿器能够维持压力，因此泵不会气蚀。

 

表1 自锁阀g、h间隔关闭情况下各管段压力极值Table 1 Pressure peak of pipes when valve g/h closing at different intervals

  

关闭间隔/s压力极值/MPa管段代号M1M2M3M4M5M6M7M8-1.0极大值0.6210.5210.5630.6060.8590.4910.4950.415极小值0.0380.1330.1140.137-0.0840.1980.057-0.084-0.5极大值0.6210.5210.5630.6060.8590.4910.4950.415极小值0.0380.1330.1140.137-0.0840.1980.057-0.084

 

续 表

  

自锁阀g、h关闭间隔/s压力极值/MPa管段代号M1M2M3M4M5M6M7M8-0.1极大值0.6210.5210.5630.6060.8590.4910.4950.415极小值0.0380.1330.1140.137-0.0840.1980.057-0.0840极大值0.5400.5440.5630.6380.9430.4700.5360.415极小值0.1770.1750.1670.110-0.0840.120-0.0090.0020.1极大值0.6900.5140.5480.5460.8010.5510.5160.495极小值0.0510.1680.1460.084-0.0840.1200.037-0.0560.5极大值0.6900.5140.5480.5460.8010.5510.5160.495极小值0.0510.1680.1460.084-0.0840.1200.037-0.0561.0极大值0.6900.5140.5480.5460.8010.5510.5160.495极小值0.0510.1680.1460.084-0.0840.1200.037-0.056

3.3 措施

[4] Yamamoto Mio, Nakai Shunichiro, Ishizaki Shunichiro, et al．Surge pressure management in HTV propulsion system[C]//43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Washington D.C.: AIAA, 2007

仿真时，泵以额定转速运行，自锁阀i、j、a均处于打开状态，自锁阀g、h组合关闭时，自锁阀由开到关动作用时0.8 ms。根据航天器在轨飞行的一般条件约束，选取了自锁阀g、h组合关闭的动作时间间隔进行研究。

(2)当两个自锁阀需要组合关闭时，还因注意先关闭工质上游的阀门，然后再关闭下游出口的阀门，这样可以避免流体正常流速下撞击阀门产生的压力波在两个阀门之间振荡，从而产生较大的压力极值。同样道理，自锁阀开启时，可先开启下游的阀，以降低两个自锁阀之间的管道所产生的水击压力值。

4 结束语

抑制水击现象引起的压力极值是航天器热控单相流体回路需要关注的。本文通过对某典型单相流体回路仿真，获得了不同工况下流体回路压力包络线和回路压力极值，从而提出一种基于自锁阀关闭顺序和时间差的优化策略，仿真结果表明：该策略可有效抑制水击压力脉动。本文仅对某一回路进行了研究，后续需通过试验台系统开展研究的方式，修正水击仿真模型，为不同航天器流体回路的水击研究提供参考。

参考文献 (References)

[3] Tijsseling A S．Fluid structure interaction in liquid—filled pipe systems：a review[J]．J Fluids Struet，1996，10：109-46

排干清淤施工技术主要包括直接挖除和水力冲除2种施工技术。其中，直接挖除施工技术也被称为干挖施工技术，即先排干河道中的水，之后再借助挖掘设备挖除河道中堆积的淤泥，借助渣土车运输出去或临时堆积在现场。该种清淤施工技术对施工技术及设备具有较低的要求，但是清淤不够彻底，容易危害河道两岸的建筑物。而水力冲除施工技术则是借助水利冲挖机械设备来冲刷堆积于河道底部的淤泥，将其搅拌成泥浆后，再集中导入预先设定好的低洼区域，配合泥浆泵及输送管道将其运输到堆砌场地。这种清淤施工技术的清淤设备简单，并且便于运送泥浆，成本较低。但是，这种清淤施工技术仅能应用于非汛期施工，且会受到天气因素的影响［1］。

[2] Mohamed S G，Zhao Ming，Duncan A M, et al．A review of water hammer theory and practice[J].Applied Mechanics Refiews，2005，58：49-76

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航天器热控单相流体回路某支路的两个阀门同时动作时，会引起剧烈的水击效应。对某典型航天器流体回路仿真分析表明，水击效应可在回路局部产生接近10个大气压的瞬态压力，可能对设备或管路密封结构造成损害。同时，管路内其它部分低压会造成工质汽化，从而可能造成泵气蚀。因此，提出避免水击的阀门动作优化策略如下：

2．2 ELISA检测各组小鼠血清IGF－1水平 A组血清IGF－1呈较低水平，B组血清IGF－1水平明显高于A组，C组血清IGF－1水平较B组降低，但仍较A组高。各组差异有统计学意义（P＜0．05）。见表1。

连续方程式为

1968年发布的6159-7001是精工首次尝试专业潜水表。是该公司的第三枚潜水表，继标志性的6217-8001（又称62MAS）和6215-7001之后。这款腕表远远超过其时代，采用坚固而独特的单壳体外壳设计，令人印象深刻的防水等级为300米-是62MAS的两倍。为确保更高的准确性和可靠性，6159-7001配备了以36,000只/小时的速度运行的Hi-beat Grand Seiko自动机心。

长久以来，我国的亲职教育发展缓慢。虽然有全国性的文件，推进亲职教育的各项举措层出不穷，各地特别是北京、上海等发达地区也曾多次采取各种方式进行实践尝试，但是，从整体范围上来说，我国的亲职教育效果还不够显著。“互联网+”在亲职教育领域的初步尝试，不管是在理论还是实践上，已经取得了初步的成效。“互联网+”对参与亲职教育的主客体、亲职教育的过程，如教育资源、教育模式、教育体验和教育评价等均有一定程度的影响。

7月以来，超强台风“威尔逊”和“麦德姆”相继来犯。与此同时，华北大部、西部地区晴热少雨，高温伏警迭起。据预测，今年有可能成为自1998年以来最严重的厄尔尼诺年。尽管目前尚无法考证，但厄尔尼诺现象对我国天气形势的影响已显现端倪。

[6] 薛科,张黎辉，苏龙斐,等.卫星推进系统真空充填过程数值仿真[J].航空动力学报,2007,22:232-326

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Wang Shuren. Theory and calculation of water hammer[M]. Beijing:Tsinghua University Press, 1981:104-125 (in Chinese)

翠姨非常聪明，她会弹大正琴，就是前些年所流行在中国的一种日本琴。她还会吹箫或是会吹笛子。不过弹那琴的时候却很多。住在我家里的时候，我家的伯父，每在晚饭之后必同我们玩这些乐器的。笛子、箫、日本琴、风琴、月琴，还有什么打琴。真正的西洋的乐器，可一样也没有。

[11] 王福军，白绵绵，肖若富.Flowmaster在泵站过渡过程分析中的应用[J]. 排灌机械工程学报, 2010,28(2): 144-148

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Xu Peng, Fan Hao.Simulation of bilge water system in a ship based on FLOWMASTER[J]. Ship & Ocean Engineering, 2016, 45(2):86-89 (in Chinese)

配电网自动化目的在于实现配电网线路的在线监视及快速准确的故障定位，从而迅速完成故障抢修，提高供电可靠性。配电线路故障指示器作为一种经济、实用的监测设备在配电网自动化中得到大量的应用。当线路发生相间故障或单相接地故障时，故障指示器会翻牌(或闪光)进行就地指示，并将识别到的故障信息通过无线网络上报配电网运行控制主站。主站根据上报的故障信息进行故障定位，并将定位的结果提供给抢修人员，从而缩短故障排查时间，快速地恢复供电。在实际应用中，由于故障指示器安装在户外，受到大风、暴雨、雷电等天气的影响，极易引起故障指示器发生信息误报和漏报的情况，导致传统的故障定位方法不再适用。