Калядин Олег Витальевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры твердотельной электроники
Oleg V. Kalyadin, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor
Сергеев Александр Викторович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры твердотельной электроники
Alexander V. Sergeev, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor
Гребенников Антон Александрович, кандидат физико-математических наук, заведующий учебно-научной лабораторией
Anton A. Grebennikov, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics)
Королев Константин Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры твердотельной электроники
Konstantin G. Korolev, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor
Авдеев Михаил Александрович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры твердотельной электроники
Mikhail A. Avdeev, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor
Лопатин Артем Юрьевич, аспирант кафедры твердотельной электроникимоб.тел. - +7 920 581 84 94
Artem Yu. Lopatin, Postgraduate Student
Цель. Разработка математической модели, адекватно описывающей нестационарный процесс захолаживания длинных криогенных магистралей жидким водородом и позволяющей определять оптимальные режимные параметры, обеспечивающие минимальный расход хладагента при подготовке к огневым испытаниям жидкостных ракетных двигателей.
Методы. В качестве объекта моделирования использовался трубопровод в экранно-вакуумной изоляции, выполненный из стали 12Х18Н10Т, общей протяженностью 272,5 м, с диаметром проходного сечения 96 мм и толщиной стенки 2 мм. Суммарная масса запорного оборудования, размещенного на магистрали, составляет 246 кг. В трубопровод под избыточным давлением 0,2 МПа подается жидкий переохлажденный водород, имеющий температуру на входе 19 К. Температура окружающей среды составляет 293 К. При разработке модели поток кипящего водорода рассматривался как однофазный, у которого плотность в каждом сечении является функцией массового содержания и плотности каждой из фаз. Также были приняты некоторые допущения, в частности: предполагалось, что линейные скорости жидкости и пара равны, сами фазы находятся в состоянии термодинамического равновесия, а для определения коэффициента трения двухфазного потока могут быть применимы зависимости, полученные для однофазного течения.
Результаты. В данной работе предложена модель охлаждения длинных изолированных трубопроводов при протекании по ним жидкого водорода, позволяющая определять параметры потока в различные моменты времени и оценивать время выхода магистрали в рабочий режим. На основе предложенной модели была разработан автоматизированный алгоритм расчета процесса охлаждения длинного трубопровода криогенными компонентами, позволяющий получать данные для построения температурных полей стенок трубопровода и потока транспортируемого криопродукта в различные моменты времени, а также определять время выхода магистрали в рабочий режим и момент наступления стационарного течения однофазного потока. Результаты проведенного расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Заключение. Используя данную модель при различных начальных и граничных условиях, можно отработать оптимальный режим протекания реальных физических процессов и добиться минимальных потерь криогенных компонент при минимальных временных затратах при подготовке стендовых систем к огневым испытаниям, как одного из этапов производственного цикла ЖРД в машиностроении.
Purpose. Development of a mathematical model that adequately describes the non-stationary process of cooling long cryogenic pipelines with liquid hydrogen and makes it possible to determine optimal operating parameters that ensure minimal refrigerant consumption in preparation for firing tests of liquid rocket engines.Methods. A vacuum-insulated pipe made of cryogenic steel with a total length of 272.5 m, with a bore diameter of 96 mm and a wall thickness of 2 mm was used as the modeling object. The total weight of the shut-off equipment located on the main line is 246 kg. Liquid supercooled hydrogen with an inlet temperature of 19 K is supplied to the pipeline under an excess pressure of 0.2 MPa. The ambient temperature is 293 K.Results. In this paper, we propose a model for cooling long insulated pipelines when liquid water flows through them, which makes it possible to determine the flow parameters at various points in time and estimate the time when the main line enters operating mode. Based on the proposed model, an automated algorithm was developed for calculating the cooling process of a long pipeline with cryogenic components, which makes it possible to obtain data for constructing the temperature fields of the pipeline walls and the flow of transported cryoproducts at various time points, as well as to determine the time when the main line enters operation and the moment of the onset of a stationary single-phase flow. The results of the calculation are in good agreement with the experimental data.Conclusion. Using this model under various initial and boundary conditions, it is possible to work out the optimal mode of real physical processes and achieve minimal losses of cryogenic components with minimal time spent in preparing bench systems for fire tests, as one of the stages of the production cycle of liquid propellants in mechanical engineering.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.