低温推进剂有着高比冲、无污染等优点,广泛应用于航天航空领域中。考虑到低温液体饱和温度低,极易发生汽化,同时,大量低温液体气化引起的压力激增会引发引擎泵上的气蚀现象。因此,预冷充填是输送过程中必不可少的一步。由于涉及到流体流动和两相沸腾两种复杂物理现象,对该过程建模与仿真较为困难。本文基于Modelica多领域建模技术,对低温发动机冷却管路进行建模仿真,展开预冷充填工作原理的研究,并对预冷充填过程展开换热特征仿真分析。首先,分析了低温管路预冷中换热理论,剖析了冷却通道充填过程建模机理。在分析预冷充填过程的沸腾曲线、预冷充填过程中两相流体流型变化及流型特征的基础上,给出了描述两相流的两种模型以及各自控制方程的形式,探讨了管壁和流体间换热计算以及压降计算方法,研究提出了基于有限体积法的预冷管路系统的离散化方法。其次,基于模型重用和扩展的思想,设计了低温预冷管路Modelica模型库的组织结构;同时,依据各组件的工作原理,构建了两相管道、换热计算模块、换热管壁、源和介质等核心组件的Modelica模型。重点实现了基于偏微分方程表示的管路系统的离散化建模及其边界条件处理方法。最后,基于低温冷却管路Modelica的基础组件模型库,搭建了低温冷却管路的系统模型,实现了各个关键组件模型的仿真测试,包括不考虑两相沸腾的管道模型测试以及两相换热计算模块的测试。基于实验数据,对系统模型结果合理性进行比较分析。在此基础上,对低温冷却充填过程中的换热特征变化、管壁的非稳态降温特性进行预测分析,并针对预冷充填的关键指标——质量流率和冷却完成时间开展了仿真研究。仿真结果表明:预冷时间随质量流率增加而降低,在低质量流率时尤为明显。