核热推进系统分析程序模型与计算方法初步研究.pdf
《核热推进系统分析程序模型与计算方法初步研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《核热推进系统分析程序模型与计算方法初步研究.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第58 卷第3期2024年3月原子能科学技术Atomic Energy Science and TechnologyVol.58,No.3Mar.2024核热推进系统分析程序模型与计算方法初步研究毛晨瑞,吉宇*,孙俊,郎明刚,石磊(清华大学核能与新能源技术研究院,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室,北京10 0 0 8 4)摘要:核热推进(NTP)系统具有高比冲、大推力和工作时间长等特点,在深空探测和轨道机动等方面具有明显的优势。系统性能分析是NTP系统研发与设计的重要内容。结合对国际历史上已开发程序的分析以及现阶段的研发需求,将系统性能分析划分为稳态设计点性能分析与优化、稳态非设计点性能分
2、析以及瞬态性能分析3个主要环节。在清华大学核能与新能源技术研究院自主开发的核动力发动机系统分析程序PANES基础上,提出了基于“流网-热网”的系统分析程序框架,并建立了反应堆中子动力学与涡轮泵动态特性等数学模型,提出了对应的计算分析方法,拓展了原程序的功能。该工作为NTP系统设计方法的进一步研究和应用提供了重要基础。关键词:核热推进;系统性能分析;程序开发;点堆模型;涡轮泵中图分类号:TL413.3;V 439.5doi:10.7538/yzk.2023.youxian.0506Preliminary Research on Model and Computational Methodof S
3、ystem Analysis Program in Nuclear Thermal PropulsionMAO Chenrui,JI Yu”,SUN Jun,LANG Minggang,SHI Lei(Institute of Nuclear and New Energy Technology,Key Laboratory of Advanced Reactor Engineering andSafety of Ministry of Education,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:The nuclear thermal
4、propulsion(NTP)boasts advantages such as high specificimpulse,substantial thrust,and extended operating time,giving it a clear edge in deepspace exploration and orbital maneuvers.To fully harness the potential of NTP,acomprehensive system performance analysis is crucial to ensure reliability and eff
5、iciencyunder various operational conditions.This study provided an overview of the historicaldevelopment and current status of nuclear thermal propulsion system analysis programs,both nationally and internationally.It also conducted an in-depth analysis of programsutilized in projects such as NERVA
6、and SNTP.Building on an examination of historicalinternational program advancements and current research requirements,systemperformance analysis is categorized into three primary components:steady-state文献标志码:A文章编号:10 0 0-6 9 31(2 0 2 4)0 3-0 6 8 0-0 9收稿日期:2 0 2 3-0 7-10;修回日期:2 0 2 3-10-0 6基金项目:国家自然科
7、学基金(52 10 6 2 56)*通信作者:吉宇第3期performance design and optimization,steady-state off-design performance analysis,andtransient performance analysis.Based on the independently developed program for ana-lyzing nuclear engine systems(PANES)at Institute of Nuclear and New Energy Tech-nology,Tsinghua Universi
8、ty,an integrated NTP system analysis program frameworkbased on“flow network-heat network was proposed.The one-dimensional flownetwork model employed a concept similar to the staggered grid commonly used incomputational fluid dynamics(CFD).It separately handled the momentum conservationequation in th
9、e resistance/inertia segment and the continuity and energy conservationequations in the capacitance segment.The thermal network model was solved based onthe solid energy equation considering heat capacity.Coupled calculations of the thermalnetwork and flow network were achieved by considering heat e
10、xchange in the capacitancesegment of the flow network.Specifically,a point reactor model based on backwardEuler(BE)or Crank-Nicolson(CN)time discretization formats was established to facil-itate the calculation of power produce processes.To enhance the understanding andoptimization of turbine perfor
11、mance,a turbine model was developed,employing itera-tive methods to determine mass flow based on turbine inlet parameters,pressure ratios,and characteristic curves.Additionally,to accurately simulate centrifugal pump behav-ior,a centrifugal pump model based on Suter curves was implemented,The integr
12、ationof these models provides a comprehensive approach for considering and effectively desig-ning and optimizing the performance of turbine and pump components within the NTPsystem.This work lays a crucial foundation for further research and application of NTPsystem design methods,paving the way for
13、 future advancements in space explorationand offering exciting prospects for upcoming space missions.Key words:nuclear thermal propulsion;system performance analysis;program develop-ment;point reactor model;turbo pump核热推进(NTP)是利用核能将推进剂加热到高温从喷管膨胀并高速喷出产生推力的空间推进装置,主要由推进剂供应系统、反应堆系统以及喷管等部件组成。推进剂供应系统主要包括推
14、进剂贮箱、涡轮泵、管阀和测控仪表等部件,反应堆系统包括辐射屏蔽、堆芯和控制鼓等部件1。与化学火箭发动机相比,NTP具备更高的比冲和与之相当的推力。因此,在时效性要求较高的载人深空探测和轨道机动等任务方面具有巨大的应用潜力。美国和前苏联于2 0世纪50 年代便开始围绕洲际导弹推进、战略导弹助推段拦截和大型有效载荷空间轨道转移等场景开展了 NTP系统研究,通过 Rover/NERVA、Timberwind/SNTP和 SEI等项目,取得了一系列重要成果,具体包括较为完备的NTP系统性能分析方法与程序、NTP反应堆方案、耐高温抗氢蚀核燃料以及关键地面试验设施等,毛晨瑞等:核热推进系统分析程序模型与计
15、算方法初步研究681前苏联更是建成了迄今为止成熟度最高的RD-0410核热火箭发动机地面样机 2-4。但随着化学推进的快速发展,NTP系统丧失了其原有的任务需求,众多项目陆续中止。近些年来,由于突出的性能优势以及在众多航天任务中的不可替代性,美国重新启动了对NTP系统的研究,美国国家航空航天局(NA SA)在2 0 14年开始的核低温推进级(NCPS)项目中以安全、高效、经济作为主要的研发原则 5。此外,美国国防先进研究计划局(DARPA在2 0 2 0 年牵头实施的“敏捷的月空间飞行火箭验证项目”(DRACO)目前正快速推进,并计划于2 0 2 7 年实现在轨示范验证6 1。由于NTP工作温
16、度极高,且反应堆系统与推进剂供应系统存在极强的耦合关系,存在实验难度大和研发成本高等挑战,所以针对NTP开发专用的系统设计分析程序是必要的。本文682针对NTP系统性能分析需求,提出主要研发内容,并对已有的分析程序与框架进行评估,开展NTP系统瞬态模型以及计算方法研究。1NTP系统设计分析概念与内涵NTP相比传统的反应堆装置存在以下差异:1)系统为开放的一回路设计,规模小,部件间耦合紧密,动态响应快;2)系统自身的设计裕量小,尤其是反应堆堆芯;3)在快速启动、停机和推力调节等典型瞬态过程中,存在系统和堆芯物理热工参数的剧烈变化;4)受空间应用的限制,无法设计类似于传统反应堆的安全措施和穴余手段
17、。基于以上差异,水堆或高温气冷堆所采用的系统设计与分析方法在 NTP中可能会导致较大的偏差,甚至无法获得合理可行的方案。因此有必要对NTP系统的设计与分析方法开展进一步研究。1.1NTP系统设计分析思路根据NTP特点及前期探索,将系统设计和分析活动分为稳态设计点分析与优化、稳态非设计点性能分析与瞬态性能分析3部分,如图1所示 7 。对NTP系统设计而言,首先需要选定装置的一个主要技术状态作为设计和分析的基准,也就是设计点,来进行热力计算。在这个过程中,依据论证的系统构型进行热力循环参数的确定和优化,具体涵盖对要求的性能参数(主要是比冲和推力)、设计极限(如涡轮许用温度限值和各部件的效率等)和设
18、计选择(如泵扬程、涡轮压比和分流比等)之间的关系进行分析,获得NTP系统性能参数的变化规律,作为优化的方向和依据。对空间装置而言,有时还需要根据热力循环参数对系统的质量进行初步估计,实现性能和质量的双目标优化。在这个阶段中,NTP系统可看作是柔性的“橡皮泥”,稳态设计点分析与优化稳态非设计点性能分析瞬态性能分析图1通用NTP设计程序框架Fig.1 Generic NTP design program framework原子能科学技术第58 卷尺寸和参数都是不定的,有较大的自由度和优化空间。经过设计点分析与优化确定初步的热力循环方案后,则可以根据节点参数开展初步的部件和流道设计工作,获得各部件的
19、工作特性。非设计点性能分析是对处于NTP系统运行包线内的所有点进行分析,求解各部件的共同工作状态,获得系统性能参数的变化规律等。此时,可设想完成了一台暂缺详细结构信息的NTP装置的标准设计”。针对多种“标准设计”开展非设计点性能分析的工作,可进一步优化得到能满足任务需求的NTP系统。非设计点性能分析后,可进一步研究系统和部件参数在各非设计点之间的动态变化过程,即瞬态性能分析。所获得的特性可作为NTP系统启动、停机和推力调节等过程运行方案设计的依据。同时瞬态性能分析工作也可用于研究反应性误引人和叶轮机械断轴等事故场景下的系统参数变化规律。对在动态过程中出现参数超过设计限值的情况,有必要与设计点优
20、化和非设计点性能分析等工作代,从而给出更优的系统设计。1.2稳态设计分析程序NTP系统设计点分析与优化以及非设计点性能分析均是基于稳态设计分析程序而开展的。NESS(Nu c l e a r En g i n e Sy s t e m Si m u l a-tion)是为了支持美国空间探索计划(SEI)而由美国科学应用国际公司(SAIC)为NASA格伦研究中心(GRC)开发的NTP稳态设计分析程序。该程序结合了西屋公司开发的反应堆模型ENABLER与Aerojet通用公司开发的液体火箭发动机模拟程序ELESE8。NESS可以设计和确定NTR推进系统组件(包括反应堆)的重量、性能和工作特性,以及
21、发动机子系统参数。NESS程序与NERVA项目成果小型核火箭发动机(SNRE)设计结果进行了对比验证 9)。除了NTP专用稳态设计程序NESS外,NASA的GRC曾使用通用的NPSS(Numeri-设计送代cal Propulsion System Simulation)程序对NTP系统进行了稳态性能分析工作。NPSS被航空航天工业广泛用于叶轮机械、吸气式推进系统、液体火箭发动机、发动机控制系统和系统模型集成的建模10。该软件具备初步设计、非设计点性能分析、瞬态性能分析和飞行试验第3期数据关联等能力 11清华大学核能与新能源技术研究院自主开发了稳态性能设计分析软件PANES(Programfo
22、r Analyzing Nuclear Engine Systems),该软件具备NTP系统循环参数计算、颗粒床反应堆轮廓方案、反射层冷却方案、喷管构型方案设计以及堆芯流动换热特性计算的能力1.12 。1.3瞬态分析程序表1列出了美国NTP瞬态分析程序情况,针对 2 0 世纪开展的NERVA、SNT P以及 2 1世纪开展的NCPS等项目,美国开展了多型NTP系统瞬态分析程序的开发工作。国内的名称开发单位NETAPE16AerojetINERVA核发动机瞬态分析程序,用于分析发动机及试验系统低频瞬态和稳态运行工况CAMC17AerojetNERVA通用模拟模型程序,用于操作员培训及控制系统测试
23、的实时仿真程序,模拟机SAFSIMC18SNLI)KINETICL191BNL2)Witters20MITTRANSFORME211ORNL3)注:1)桑迪亚国家实验室;2)布鲁克海文国家实验室;3)橡树岭国家实验室毛晨瑞等:核热推进系统分析程序模型与计算方法初步研究建模思路。表1美国NTP瞬态分析程序Table 1 NTP transient analysis program of US概述SNTP项目,基于一维有限元模型,可分析颗粒床反应堆(PBR)NTPSNTP项目,PBR-NTP瞬态系统分析程序SNTP项目,PBR-NTP集成特性、控制方法研究NASANTP项目,基于Modelica建
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 推进 系统分析 程序 模型 计算方法 初步 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。