卫星电推进系统氙气充装热力学特性数值模拟方法技术方案

本发明专利技术涉及一种卫星电推进系统氙气充装热力学特性数值模拟方法，包括：步骤S101，建立氙气流体状态方程，包括：用最小二乘法数值插值拟合建立氙气热力学特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程，比较分析三种不同类型的经验参数方程；步骤S102，根据氙气在特定状态或区域范围热力学参数来选择所述氙气热力学特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程三种不同类型的经验参数方程的一种或多种；步骤S103，通过设置模拟参数进行氙气充装特性数值模拟。本发明专利技术能够对卫星电推进系统氙气充装特性进行模拟，对氙气充装全温度与全压力范围数值模拟试验和预估，具有适应性强、精度高及使用方便的优点。

【技术实现步骤摘要】
卫星电推进系统氙气充装热力学特性数值模拟方法
本专利技术涉及数值模拟试方法，特别是涉及卫星电推进系统氙气充装及加注过程中的热力学特性数值模拟方法。
技术介绍
卫星电推进系统工质为氙气，由于氙气分子量大、熔点高、沸点高及临界点高等特殊的物理性质，电推进系统工质氙气充装、发射场加注及在轨存储使用等存在众多未知因素，安全风险高，氙气地面存储、测试、加注及在轨存储使用技术难度也较大，无相应的基础试验数据，而卫星电推进系统氙气在地面测试及加注过程参数覆盖范围广，目前国内外无法进行全过程范围的氙气热力学特性物理试验，也无法获得氙气全过程范围的充装热力学特性试验数据，而卫星充装及发射场加注对卫星电推进系统氙气瓶内部热力学状态参数预估要求范围广，压力范围：0～17MPa，温度范围：-20℃～100℃，密度范围0kg/l～2.3kg/l，而且对充装热力学特性参数预估精度也要求较高，要求预估精度控制偏差优于0.5％。目前无专门描述氙气充装特性的状态方程，现有的热力学状态方程对氙气流体计算预估产生很大的误差，总体要求研究出符合氙气本质的实际流体状态方程.对气相、液相和超临界区，要求压力及密度计算与测试偏差优于0.5％，因此，研究电推进系统氙气充装及加注过程数值模拟方法有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目是提供一种卫星电推进系统氙气充装热力学特性数值模拟方法，以便仿真计算出卫星电推进系统氙气充装及加注过程氙气瓶内部的热力学状态参数。本专利技术的卫星电推进系统氙气充装热力学特性数值模拟方法包括：步骤S101，建立氙气流体状态方程，包括：用最小二乘法数值插值拟合建立氙气热力学特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程，比较分析三种不同类型的经验参数方程；步骤S102，根据氙气在特定状态或区域范围热力学参数来选择所述氙气热力学特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程三种不同类型的经验参数方程的一种或多种；步骤S103，通过设置模拟参数进行氙气充装特性数值模拟。进一步，在步骤S101中，基于饱和蒸气压实验数据、饱和液相密度实验数据和气液相PVT实验数据，来拟合建立氙气热力学特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程。进一步，在步骤S102中，在高温低压区，可以选择RK方程、BWR方程及Helmholtz方程中的一种。进一步，在步骤S102中，对于单相区、气液两相的超临界区及气相区，选择Helmholtz方程；内对于高温低压区，选择RK方程。进一步，在步骤S103中，所述模拟参数包括：温度、压力、比容、质量，其中，对温度、压力及密度中任意两个参数进行设置。进一步，用可视化方式来展示模拟结果，包括：步骤1)：设置模拟参数的单位，模拟参数包括：温度、压力、比容、质量、密度，其中，模拟参数默认设置为SI国际单位制，温度可选择设置为SI使用摄氏度；步骤2)：设置温度、压力及密度中的任意两个参数的数值范围，压力，温度的范围包括起点温度、终点温度、步长；步骤3：设置X坐标轴、绘图精度、是否绘制饱和线，得到相应的计算值或可视化视图，参数输出包括用于特定压力、温度及密度条件下氙气某一参量计算表和进行全量程氙气充装热力学特性中文可视化数据图描述。本专利技术技术方案的特点包括:1.本专利技术在选择实验数据上不仅包括国内的实验数据，还包括国内外各研究机构公布的权威实验数据，保证测试数据的准确性及建立方程模型的准确性。2.本专利技术建立的方程模型是氙气热力学性质的高精度理论方程表征，通过最小二乘法数值插值拟合计算方程模型参数，并将方程模型数值模拟软件化，根据氙气三种计算模型应用JAVA开发平台编制的氙气热物性数值模拟软件计算特定状态或区域范围热力学参数，建立了全温度及压力范围的数值计算分析软件。本专利技术是卫星电推进系统氙气充装试验实现的重要方法，具备卫星电推进系统氙气充装全温度与全压力范围数值模拟与试验，具有适应性强、精度高及使用方便等优点。附图说明图1为本专利技术的模拟方法的流程图；图2为本专利技术的模拟方法采用的氙气实验数据；图3是计算得到的氙气压力-密度曲线的一个示例；图4计算得到的氙气压力-温度曲线的一个示例。具体实施方式以下介绍的是作为本专利技术所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本专利技术的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本专利技术的不同方面的内容，而不应理解为限制本专利技术范围。如图1所示，本专利技术方法主要包括以下流程：1)氙气流体状态方程建立在步骤S101中，建立氙气流体状态方程，包括：用最小二乘法数值插值拟合建立氙气热力学特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程，比较分析三种不同类型的经验参数方程。RK方程是一种经典的参数较少的经验方程，方程的形式简单，规律性强，使用方便，一般考虑分子间引力的存在和气体总体积中分子本身体积的因素，对于热力学状态方程进行修正所得到的。BWR方程(Benedict-Webb-Rubin方程)及Helmholtz方程是多参数方程，多参数状态方程也是经验方程的一种。Helmholtz方程较好地描述物质属性的一种方程，其综合考虑极性分子及非极性分子的不同，以及分子间相互作用的影响，对流体拟合了具有12个系数的方程，采用了同时拟合的方法，获得了比较高的拟合精度。本专利技术采用的实验数据有饱和蒸气压实验数据、饱和液相密度实验数据、气液相PVT实验数据，PVT分别表示压力、体积及温度。其中，研究的PVT实验数据在压力-温度曲线上的分布如图2所示。经典的RK方程如公式(1)所示。式1中，P为压力，R为体积，T为绝对温度(单位是K)，a、b为物质特有参数，在实际应用中，一般临界参数由临界温度Tc和临界压力pc来表示。将压力P和温度T为输入参数，实验数据如图2所示，采用最小二乘法数值插值拟合计算各常数项a、b，氙气的临界参数为pc＝5836.336kPa，Tc＝289.733K。BWR方程形式如公式(2)表示：式2中，ρ表示密度(单位是mol/m3)，T是温度(单位是K)，P是压力(单位是Pa)，R是气体常数(单位是J/(K.mol))。实验数据中压力P、温度T及密度ρ为输入参数，采用最小二乘法数值插值拟合计算得到的BWR方程的各项系数，实验数据如图2所示，BWR方程的各项系数如表1所示。表1BWR方程各项系数另外一种多参数状态方程Helmholtz函数方程表示如下：α＝α0+αr(3)式3中，α0为理想气体贡献的部分Helmholtz函数项，αr为实际流体的分子间相互作用贡献的部分Helmholtz函数项。这两项可以进一步表示成：式4和式5中，ui、vi、a1、a2、c0、c1、c2、Nk为各项系数，Tc是临界温度，δ是无量纲化的密度，τ是无量纲化的温度，ik，jk，lk是相应项的次数。氙气为非极性分子，Helmholtz函数形式的方程可以表述为公式(6)：以上两式中的Nk是各项系数，通过实验数据中压力P、温度T及密度ρ为输入参数，计算相应压力P下的对比态密度δ及对比态温度τ，实验数据如图2所示，采用最小二乘法数值插值拟合计算方程各项系数Nk，Helmholtz方程各项系数如表2所示。表2Helmholtz方程各项系数综上所述，本专利技术的方法基于PVT实验数据通过最小二乘法数值插值拟合建立氙气热力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卫星电推进系统氙气充装热力学特性数值模拟方法，其特征在于，包括：步骤S101，建立氙气流体状态方程，包括：用最小二乘法数值插值拟合建立氙气热力学特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程，比较分析三种不同类型的经验参数方程；步骤S102，根据氙气在特定状态或区域范围热力学参数来选择所述氙气热力学特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程三种不同类型的经验参数方程的一种或多种；步骤S103，通过设置模拟参数进行氙气充装特性数值模拟。

【技术特征摘要】
1.一种卫星电推进系统氙气充装热力学特性数值模拟方法，其特征在于，包括：步骤S101，建立氙气流体状态方程，包括：用最小二乘法数值插值拟合建立氙气热力学特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程，比较分析三种不同类型的经验参数方程；步骤S102，根据氙气在特定状态或区域范围热力学参数来选择所述氙气热力学特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程三种不同类型的经验参数方程的一种或多种；步骤S103，通过设置模拟参数进行氙气充装特性数值模拟。2.根据权利要求1所述的卫星电推进系统氙气充装热力学特性数值模拟方法，其特征在于，在步骤S101中，基于饱和蒸气压实验数据、饱和液相密度实验数据和气液相PVT实验数据，来拟合建立氙气热力学特性的RK方程、BWR方程及Helmholtz方程。3.根据权利要求1所述的卫星电推进系统氙气充装热力学特性数值模拟方法，其特征在于，在步骤S102中，在高温低压区，选择RK方程、BWR方程及Helmholtz方程中的一种。4.根据权利要求1所述的卫星电推...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻新发，赵月帅，孙立臣，洪晓鹏，窦仁超，李晓阳，孟冬辉，闫荣鑫，韩琰，窦威，王静涛，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11