基于温控阀内流场的流体回路数值模拟方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术提供了一种基于温控阀内流场的流体回路数值模拟方法、系统及介质，包括：对温控阀进行参数化建模；抽取温控阀腔内的流体域；对三维流场进行网格划分，并进行网格相关性验证；建立驱动泵、热沉、辐射器和管路模型，实时计算管路内各个节点的温度、压力和流速值；编译联动Fluent的UDF和Matlab/Simulinkd的M函数，实现不同温控阀开度下流量和压力的数据交换；迭代计算，调试PID参数直到控温点温度稳定在预设范围以内，根据控温效果选择合适的控温点；对仿真结果进行可视化分析。该方法能够精确模拟流体回路温控阀的实际工作流阻，得到更加合适的控温方案和PID控制参数，为温控阀的多参数设计提供平台指导。

【技术实现步骤摘要】
基于温控阀内流场的流体回路数值模拟方法、系统及介质
本专利技术涉及航天器热控
，具体地，涉及一种基于温控阀内流场的流体回路数值模拟方法、系统及介质。
技术介绍
流体回路系统作为航天器主动热控技术中的一种重要方式，利用机械泵驱动工质强制对流循环来进行热量控制。由于其换热能力强、便于结构布局、易于组织内部换热、安全可靠等特点，在国内外的许多航天器上都得到了广泛的应用。流体回路一般由内外两个回路组成，温控阀通过调节两个回路的工质流量，实现航天器内部热量转移的控制，满足航天器热控目标多样化的需求。国内外一般使用Flowmaster和Matlab等软件仿真模拟流体回路运行。地面试验发现，温控阀与流体回路的流阻系数存在不匹配的现象，温控阀的内流场结构与流体回路控制策略息息相关。原因在于流体回路驱动泵流量和扬程存在一定关系，温控阀开关运动时流体回路流阻发生变化，导致驱动泵输出流量发生变化。因此，目前的单软件仿真得到的流阻系数与实际运行差别较大，导致温控阀控制能力受限，甚至控温策略失效。专利文献CN101052469A(申请号：CN200580037969.5)公开了一种生物化学领域微流体槽道盒定时协议的方法和结构创新，而本专利技术提供了航天器热控制领域流体回路仿真技术。专利文献CN104375531A(申请号：CN201410602694.6)公开了一种适应单相流体回路的组合温度控制系统及方法。本专利技术与之相比的创新在于提出了新型交互式流体回路数值模拟方法，搭建了基于温控阀的流体回路多参数仿真平台。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于温控阀内流场的流体回路数值模拟方法、系统及介质。根据本专利技术提供的基于温控阀内流场的流体回路数值模拟方法，包括：步骤1：使用三维设计软件对温控阀进行参数化建模；步骤2：抽取温控阀腔内的流体域；步骤3：对三维流场进行网格划分，并进行网格相关性验证；步骤4：建立驱动泵、热沉、辐射器和管路模型，实时计算管路内各个节点的温度、压力和流速值；步骤5：编译联动仿真分析软件Fluent的UDF和Matlab/Simulinkd的M函数，实现不同温控阀开度下流量和压力的数据交换；步骤6：迭代计算，调试PID参数直到控温点温度稳定在预设范围以内，根据控温效果选择合适的控温点；步骤7：对仿真结果进行可视化分析。优选的，所述步骤1包括：步骤1.1：根据用户需求选择型谱化温控阀产品；步骤1.2：对温控阀内流道结构进行参数化建模，选取出口阀腔宽度、进口阀腔宽度、进出口阀腔直径、V型槽槽深和V型槽开口角作为滑阀内流道建模的设计参数。优选的，所述步骤2包括：步骤2.1：将温控阀模型保存为.stp等文件格式，导入Spaceclaim软件中；步骤2.2：选取温控阀的三个进出管边缘作为抽取的边界，使用体积抽取的命令抽取温控阀内流场；步骤2.3：检查内流场模型是否存在缺失、畸形现象并修复，保留预设长度的温控阀进出管道，防止Fluent运算时发生回流。优选的，所述步骤3包括：步骤3.1：将温控阀内流场模型导入软件ICEM中，定义计算域的三个进出口表面和壁，采用四面体非结构化网格技术，对狭小射流区域进行局部加密；步骤3.2：分别选取不同尺寸的网格进行仿真计算，经过对比验证网格无关性，确保计算结果的可靠性。优选的，所述步骤4包括：步骤4.1：工质首先通过热传导和对流换热将热量传输至蛇形管壁，管壁再通过热传导将热量传输至面板，最终由辐射面板通过辐射换热的方式将热量排散至空间环境；辐射器的动态特性为：蛇形管路的动态特性为：辐射板A、B进出口流体工质的温度关系为：GAcfA(TA1-TA2)＝hA32AA32(TfA-θA2)(5)GBcfB(TB1-TB2)＝hB32AB32(TfB-θB2)(6)上式中mA1、mB1、cA1、cB1、θA1、θB1、AA1、AB1分别为辐射板A、B的质量、热容、温度和面积；αA、αB、εA、εB分别为辐射板A、B的吸收率和发射率；qA、qB分别为辐射板A、B的外热流密度；hA21、hB21、AA21、AB21分别为辐射板A、B和对应蛇形管路之间的等效换热系数和接触面积；θ0为空间环境温度，取4K；mA2、mB2、cA2、cB2、θA2、θB2、AA2、AB2分别为蛇形管路A、B的质量、热容、温度和面积；hA32、hB32、AA32、AB32为流体工质A、B与对应蛇形管路A、B的等效换热系数与换热面积；GA、GB、cfA、cfB分别为蛇形管路A、B内流体工质的质量流量和热容；TA1、TB1、TA2、TB2分别为辐射板A、B进出口处工质的温度；TfA、TfB为辐射板A、B内工质的平均温度；步骤4.2：热沉是流体回路系统中负责收集载荷热耗的部件，热沉表面温度相同，被控对象的动态特性为：热沉的动态特性方程为：热沉进出口流体工质温度的关系如下：h12A12(θ2-Tf1)＝Gfcf(T2-T1)(11)上式中m1、c1、θ1分别为被控对象的质量、热容和温度；m2、c2、θ2为热沉的质量、热容和温度；Gf和cf为流体工质的质量流量和热容；T1为热沉进口工质的温度；T2为热沉出口工质的温度；Tf为热沉内工质的平均温度，且Q1为被控对象的热耗；h11和A11为热沉与被控对象的等效换热系数与换热面积；h12和A12为热沉与流体工质的等效换热系数与换热面积；步骤4.3：管路包覆多层隔热组件，忽略管路与周围环境的换热，此时管路的传递函数为一阶惯性加纯延时环节，惯性环节的时间常数Tpipe和延迟时间τ通过实验曲线整定，表达式为：其中，s为复变量；步骤4.4：驱动泵与流体回路的热量关系式满足：Qpump＝(1-η)UI(14)其中，Qpump为驱动泵产生的热量，η为驱动泵的工作效率，U为工作电压，I为工作电流。优选的，所述步骤5包括：步骤5.1：启动Simulink模型，计算得到温控阀进口处流量和表压，用M函数导入Fluent将作为内流场计算的初始边界条件；步骤5.2：将网格化模型导入Fluent中，使用UDF将Simulink反馈的温控阀开度值传递到Fluent，计算后输出温控阀出口处流速和表压，该结果作为Simulink下一轮计算的输入。优选的，所述步骤6包括：步骤6.1：以温控阀进口处工质温度作为控温点，调试PID参数，输出控温点温度变化曲线；步骤6.2：以目标单机表面作为控温点，调试PID参数，输出控温单机温度变化曲线；步骤6.3：根据动态特性曲线比较控温效果，选择合适的控温点。优选的，所述步骤7包括：步骤7.1：Fluent输出温控阀内流场压力流线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于温控阀内流场的流体回路数值模拟方法，其特征在于，包括：/n步骤1：使用三维设计软件对温控阀进行参数化建模；/n步骤2：抽取温控阀腔内的流体域；/n步骤3：对三维流场进行网格划分，并进行网格相关性验证；/n步骤4：建立驱动泵、热沉、辐射器和管路模型，实时计算管路内各个节点的温度、压力和流速值；/n步骤5：编译联动仿真分析软件Fluent的UDF和Matlab/Simulinkd的M函数，实现不同温控阀开度下流量和压力的数据交换；/n步骤6：迭代计算，调试PID参数直到控温点温度稳定在预设范围以内，根据控温效果选择合适的控温点；/n步骤7：对仿真结果进行可视化分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于温控阀内流场的流体回路数值模拟方法，其特征在于，包括：
步骤1：使用三维设计软件对温控阀进行参数化建模；
步骤2：抽取温控阀腔内的流体域；
步骤3：对三维流场进行网格划分，并进行网格相关性验证；
步骤4：建立驱动泵、热沉、辐射器和管路模型，实时计算管路内各个节点的温度、压力和流速值；
步骤5：编译联动仿真分析软件Fluent的UDF和Matlab/Simulinkd的M函数，实现不同温控阀开度下流量和压力的数据交换；
步骤6：迭代计算，调试PID参数直到控温点温度稳定在预设范围以内，根据控温效果选择合适的控温点；
步骤7：对仿真结果进行可视化分析。


2.根据权利要求1所述的基于温控阀内流场的流体回路数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤1.1：根据用户需求选择型谱化温控阀产品；
步骤1.2：对温控阀内流道结构进行参数化建模，选取出口阀腔宽度、进口阀腔宽度、进出口阀腔直径、V型槽槽深和V型槽开口角作为滑阀内流道建模的设计参数。


3.根据权利要求1所述的基于温控阀内流场的流体回路数值模拟方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤2.1：将温控阀模型保存为.stp等文件格式，导入Spaceclaim软件中；
步骤2.2：选取温控阀的三个进出管边缘作为抽取的边界，使用体积抽取的命令抽取温控阀内流场；
步骤2.3：检查内流场模型是否存在缺失、畸形现象并修复，保留预设长度的温控阀进出管道，防止Fluent运算时发生回流。


4.根据权利要求1所述的基于温控阀内流场的流体回路数值模拟方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤3.1：将温控阀内流场模型导入软件ICEM中，定义计算域的三个进出口表面和壁，采用四面体非结构化网格技术，对狭小射流区域进行局部加密；
步骤3.2：分别选取不同尺寸的网格进行仿真计算，经过对比验证网格无关性，确保计算结果的可靠性。


5.根据权利要求1所述的基于温控阀内流场的流体回路数值模拟方法，其特征在于，所述步骤4包括：
步骤4.1：工质首先通过热传导和对流换热将热量传输至蛇形管壁，管壁再通过热传导将热量传输至面板，最终由辐射面板通过辐射换热的方式将热量排散至空间环境；辐射器的动态特性为：






蛇形管路的动态特性为：






辐射板A、B进出口流体工质的温度关系为：
GAcfA(TA1-TA2)＝hA32AA32(TfA-θA2)(5)
GBcfB(TB1-TB2)＝hB32AB32(TfB-θB2)(6)






上式中mA1、mB1、cA1、cB1、θA1、θB1、AA1、AB1分别为辐射板A、B的质量、热容、温度和面积；αA、αB、εA、εB分别为辐射板A、B的吸收率和发射率；qA、qB分别为辐射板A、B的外热流密度；hA21、hB21、AA21、AB21分别为辐射板A、B和对应蛇形管路之间的等效换热系数和接触面积；θ0为空间环境温度，取4K；mA2、mB2、cA2、cB2、θA2、θB2、AA2、AB2分别为蛇形管路A、B的质量、热容、温度和面积；hA32、hB32、AA32、AB32为流体工质A、B与对应蛇形管路A、B的等效换热系数与换热面积；GA、GB、cfA、cfB分别为蛇形管路A、B内流体工质的质量流量和热容；TA1、TB1、TA2、TB2分别为辐射板A、B进出口处工质的温度；TfA、TfB...

【专利技术属性】
技术研发人员：施哲栋，曹建光，徐涛，薛久明，王涛，顾燕萍，王江，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31