文摘

的研究迅速减压的效果评估和保护技术是未来面临的问题,必须探索项目,如太空探索附近的深太空探索和长期月球或火星基地。一种新的可重用的快开机制可以在毫秒设计用于满足地面模拟器的测试要求非常迅速减压,和测试结果表明,快开机制可以打开在0.1 s。数学公式也发达,比较文学的结果证明其有效性。建立了CFD模拟和验证系统的气流快速减压过程在不同开度。仿真结果表明,开放在减压过程的影响非常明显,减压时间对应于50%,75%,和100%的女士打开是479.1,320.7毫秒,分别和290.1 ms。测试结果也显示一致的趋势是583毫秒,450毫秒,384毫秒,分别达到平衡态。

1。介绍

当前的研究迅速减压专注于航空航天领域。在航空领域的研究重点主要是验证设计,下飞机和机载设备的性能和可靠性高海拔环境减压。在太空领域,研究机构由美国国家航空航天局进行了大量的研究迅速减压可能发生的空间环境,如航天飞机和空间站,和指导的设计和验证航天器,宇航服,环境控制和生命保障系统(宴请)宇航员(1- - - - - -7]。

稀薄气体流动在太空减压过程可以近似简化计算和数值模拟研究。Eoffrey压降的数值模型建立的过程暴露真空(8]。帕加尼,卡雷拉了零维数学公式快速和爆炸减压加压的分析飞机。基于欧拉数值程序集成方案也被讨论了multicompartment飞机分析(9]。Breard等人建模和分析飞机驾驶舱的突然减压与硬化驾驶舱的门安装使用CFD代码(10]。高等人从北京航空航天大学提出prevacuum室的技术实现模拟快速减压和推导的数学方程之间的气流平衡prevacuum室和测试室结合流传导方程和气体热力学理论(11]。

各种设施已建成为中国快速减压的地面模拟和其他研究机构。约翰逊航天中心在美国设计的额外室作为一种快速减压室旁边20英尺直径热真空室和完成产品验证测试,如高压舱和安全气囊(12]。航空医学研究所等研究机构和宇航员训练中心在中国也建立了类似的快速减压设施。宇航员训练中心的快速减压系统由主室和辅助室。主燃烧室的缸的长度是3米,和它的体积大约是50米³。辅助室的长度是2米,体积是12.5米³。快速减压的测试期间,主燃烧室prevacuum室和DN320mm真空管道用于释放通道和四个DN150mm电磁阀。的快速减压速率系统优于13.3 kPa / s。易Dongchen航空医学研究所的开发了一种复合环境基金快速减压的作用,用于评估航空设备和航空医学的科研训练。快开机制采用压缩空气为动力,和气动功率转化为通过蓄能器液压动力推动液压缸的活塞杆的运动(13]。与北京合作航天器环境工程研究所、哈尔滨工业大学完成了一个全新的快开装置的原理设计,这是通过使用一个基于spring的释放机制实现快速大量的弹性势能转化为动能(14,15]。

研究现状调查的基础上,考虑到进一步改善的要求准确模拟的空间极其快速减压,这是迫切需要一个可重用的快开机构可靠性高,可以打开毫秒范围内,以满足研究和验证需求空间非常快速减压的过程。研究提出了部分2。计算和数值模拟的方法还需要进一步研究,以得到更准确的结果,部分中讨论3和4。测试验证部分所示5年底,和结论进行了总结。

2。快开的设计机制

快开装置的关键设备是极其快速减压的地面模拟环境。机制的设计主要面临以下困难:(1)打开速度快:非常快速减压,整个时间是0.1秒一般完成整个减压过程,所以它要求机制应该实现完整的0.1秒内打开或更快(2)真空密封:快开装置安装在高压室和低压室。机制应该能够承受巨大的反向压差测试之前,特别是大型快开机制(3)可重用的和可靠的:由于巨大的压力差和极快的打开速度,快开的部分机制将承担巨大的冲击力,因此,机制设计应与高可靠性即使多种用途

为非常快速减压环境对地面的要求,设计一种新型的可重用的快开机制在报纸上可以实现瞬时prevacuum室和测试室之间的开放。机制包括阀单元、发证单位、关闭装置,和一个能量存储单元;的具体结构如图所示1。

机制是关闭时,牵引的气缸关闭单元移动向下推顶出杆和牵引式直线向下移动。与此同时,弹簧的能量存储单元实现拉伸能量储存。牵引气缸向下移动到位后,盖板可以旋转到关闭位置,以便释放的轴承单元按上方的盖板。此时,轴承、盖板、顶出杆和密封板转移到向下的力实现关闭机制。密封板的预紧力可以调节旋转手轮直到机制是完全关闭,然后举起的牵引气缸关闭单元上升到原来的位置。机制需要打开时,电磁致动器驱动轴承以惊人的速度收缩,这样轴承盖板上不再施加压力。在这个时候,顶出杆和密封板失去盖板的压力。由于大气压力叠加在密封板和弹簧的拉伸能量储存,密封板可以完成向上运动,实现开放,以毫秒为单位。牵引式阻尼块移动时,电阻停止完成行动的机制。

强度的机理进行了分析,利用ANSYS有限元法。模拟的输入参数如表所示1,快开装置的受力分析如图2。结果表明:•冯•米塞斯应力不超过最大拉力值和结构的机制符合安全要求。

的原型机制如图3。测试前的快速减压,快开的两个连接法兰机制,分别安装在测试室和prevacuum室。根据上面的操作程序,关闭机制泵测试室和prevacuum储备室所需的压力,然后打开快开机制来实现快速减压。

设计快开机制具有以下有益的特点:(1)由于大气压力叠加在密封板和弹簧的拉伸能量储存,该机制可以打开在毫秒级(2)此外,春天的力量可以改变通过更换强度随后,从而达到调整开放时间的功能(3)焊接波纹管用于完成轴的密封,和整个机制没有动态密封结构(4)汽缸装配完成辅助关闭的机制,和电磁致动器是用来完成开放行动的机制与高度的自动化(5)的线性运动模式机制是更可靠的密封板,结构更简单,更强大的功能

3所示。数学模型

快速减压是一个典型的刚性的膨胀和紧缩问题。快速膨胀和紧缩的过程,系统和外部世界之间的热交换可以忽略。温度变化、压力和温度的不均匀性每个模块也忽略了。气流通过快开机制的计算公式 在哪里

计算的压力和温度测试室可以获得从热力学第一定律和理想气体状态方程如下。

测试室的压力变化公式

测试室的温度变化公式

集总参数法模型的连接管道减压,和气体流的传热过程中没有考虑。假设速度,压力,和连接管道的温度是均匀分布,压力随时间变化的计算公式的连接管道减压的过程如下: 在哪里和质量流率的流入和流出管道,分别。

同样,压力和温度的计算公式的prevacuum室可以获得如下。

prevacuum室的压力变化公式

prevacuum室的温度变化公式

快速减压过程可以通过上面的计算公式计算和分析。本文验证通过类似的文献情况下计算的有效性。在文献[16),美国国家航空航天局的安全评估研究新一代多用途载人飞船(MPCV)在不同的减压过程,总结了估计时间船员模块降压作为有效孔大小的函数。本文中的公式用于计算和验证解压时间相同的条件下,550英尺³小屋卷在标准大气压力。具体计算结果如图所示4。从文学的比较结果证明了计算方法的有效性,也可以应用,没有缺乏准确性,飞船的减压分析。

4所示。CFD模拟

为了研究中的气流特征快速减压过程更加直观,使用流利的这是一个商业CFD软件模拟腔的压力变化。模型分为两室体积为0.2 m³和14米³,分别。DN150减压管道的长度1米是配备一个快开机制和DN150mm真空闸阀可以打开不到100%,75%,和50%,分别。机制的细节,如密封板和闸阀的阀板也考虑到流量系数建模得到更好的模拟精度。

用多面体模型结构可计算区域非结构化网格,集边界层网格内的管道。离散跑(雷诺平均n - s方程和基于有限体积方法- - - - - - 采用湍流模型。的初始值测试室压力101.325 kPa和prevacuum室压力的初始值设置为4 kPa。

4.1。测试室的压力变化

压力测试的变化趋势如图5的绝对压力,压力是每个室的几何中心点。可以看出,不同的阀开口减压过程有重要影响,开放越小,就越明显。解压时间对应于50%,75%,100%开度是479.1毫秒,320.7毫秒,分别和290.1 ms。

4.2。测试室的速度变化

更多细节可以通过分析减压速度。的平均速度的出口部分测试室和prevacuum室的入口部分,并观察这两个平均速度的变化趋势,如图6,图6(一)总体变化趋势和图吗6 (b)是第一个9的速度变化细节。与相同的图中的符号代表阀门的工作条件下相同的开放。黑线的平均出口速度测试室,蓝线是平均prevacuum室的入口速度,和红色虚线是零。

如图6(一)阀门开度越小,相应的测试室出口速度越小,和prevacuum室的入口速度更大。困惑的原因是阀增加了流动阻力,增加了膨胀率,并减少入口prevacuum室的密度,从而导致减少的出口速度测试室和prevacuum室的入口速度的增加在同一时间。右边的图上的所有曲线低于红色虚线显示负值,表明有回流现象,有一个轻微的迭代当流达到平衡态。从图可以看出6 (b)在出口流速曲线测试室几乎一致的初始阶段。这是由于这样的事实:快开后面的机制在超音速流动,管道和流状态只是输入流的相关参数,和闸阀的开没有影响。prevacuum室的入口速度仍然在第一个3 0 ms。这是由于来流的传播管道以冲击波的形式。然而,它立即达到高速度最高的点为634.8 m / s, 547.7 m / s, 458.6 m / s,分别。

4.3。流场的分布

闸阀的开放流场具有明显的影响。图7显示了在不同的开放条件下的流场分布。可以看出,快开密封板的机制熊气流的影响,和双方都有一定的压力差。然而,管道的总压力降是接近理想状态,不显著增加。有湍流在快开机制、流场非常复杂。流动充分发展经过长时间的管道。75%的情况下打开闸阀,之间有一个明显的压差阀的前后和显著改变射流的方向和闸阀的流场显然是影响。流场的影响更明显的开放条件下的50%。前后压差闸阀成为最重要的内部管道的压降。气体出现明显的降压膨胀,很明显和射流的偏转方向。

5。测试验证

验证系统建立了快速减压过程,如图所示8。系统的主要参数是相同的数值模型。

在大气压力下,高速相机是用于监控快开机制,机制可能是0.1秒内打开。阀门的测试进行了不同开度为50%,75%,和100%,分别需要583毫秒,450毫秒,384毫秒,分别达到平衡态。

的比较试验结果和数值模拟三种不同开放程度的闸阀如图9。这两种趋势非常相似,实际的快速减压比数值模拟过程需要时间,因为不能充分减压的气流在阀门开度。也有一些波动的测试数据,因为轻微的振荡后的密封板快开开放机制。

6。结论

地面模拟空间的关键技术极其快速减压进行了研究和验证,是得出以下结论:(1)一种新型的可重用的快开机制与高可靠性设计实现极其快速减压。机制验证了高速摄影机可以打开在0.1 s(2)数学公式也开发了快速减压,从文学和比较结果验证了计算方法的有效性(3)建立了数值模型研究迅速减压过程中的流动特性。调整后的减压管道闸阀。结果表明,开放的效果非常明显。减压时间相应的50%、75%、和100%开放是479.1毫秒,320.7毫秒,分别和290.1 ms(4)开幕式还对减压的速度有很大的影响。开口越小,出口流速越小,相应的测试室,虽然prevacuum室的入口流速将会更大。当流动达到平衡态时,会有轻微的迭代(5)验证系统建立了快速减压的过程。这两种趋势非常相似,实际的快速减压过程需要长时间比数值模拟机制开放时间的原因。有一些测试数据的波动是因为快开后小幅振荡的机制是开着的

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

没有利益冲突声明。

确认

作者承认提供的财政支持的独立研究和开发项目BISEE(项目号yfkt - 201909260034)。