Research on interface dynamics and mechanism of two-phase heat and mass transport in partially filled tank

&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;贮箱作为航天器推进系统的重要组成部件，其内部液体推进剂的管理对航天任务具有重大意义。特别是对于低温推进剂而言，在长期空间飞行过程中，由于低温推进剂易相变、黏度低、表面张力弱和相变潜热小等特性，贮箱系统存在着压力失衡、动力学不稳定等隐患，可能导致任务失败。因此，研究空间低重力和微重力环境中贮箱内低温推进剂的动力学行为及热量输运特性，有着极其重大的实用价值。本文采用数值模拟的方法来开展部分充液贮箱内界面行为和压力演化规律及相关热量输运特征的研究。 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;首先，数值模拟了热平衡条件下重力跳降引起的界面波的传播及演化。基于 Bond 数准则设计了 3 个缩比模型,分析了原型贮箱和缩比模型中加速度变化引起 的贮箱内气液两相流动及气液界面上界面波的传播及特征，发现：基于 Bond 数 相似准则设计的缩比模型与原型贮箱之间流体的运动具有相似性，在满足 Bond 数相似准则的前提下，系统还近似满足 Weber 数相似准则，或等价地，近似满足 Froude 数相似准则。黏性耗散作用随着缩比比例的增大而增大，故在设计空间大 型贮箱地面模拟实验时，有必要适当约束缩比比例以避免缩比误差过大。大 Bond 数下，主波波谷的传播由重力和毛细力共同作用的界面波决定；而小 Bond 数下，主波波谷的传播由毛细力和惯性力共同作用的毛细爬升决定。 &nbsp; &nbsp; &nbsp; 其次，为了抑制重力跳降之后的界面波动，需引入近壁隔板来约束界面变动。同时，空间热辐射所引起的漏热自增压不可避免。因此采用数值模拟方法研究界面变动和热质输运耦合下近壁隔板的作用机理发现：在低重力条件下，位于液体中的隔板可以阻止隔板下方高温液体的上升，导致近壁区的液面温度偏低，从而使得有隔板贮箱的自增压速率比无隔板贮箱低 12%；在微重力条件下，近壁隔板能够显著减少质心的波动幅度。因此选择具有近壁隔板的贮箱能更好地应对复杂空间流体管理任务。此外，还针对隔板结构，采用数值模拟对隔板尺寸进行了管理性能的比较和方案推荐。 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;最后，采用数值模拟的方法去研究关机滑行段大尺度低温贮箱内的失压过程 特征及抑制方法。分析了低重力和微重力环境下自旋速率对部分充液贮箱内失压 过程特征的影响：越大的自旋速度会使得贮箱内工质的质心在初始的半个周期内 更远地偏离初始位置，而这种更加剧烈的振荡会加剧低温推进剂与过热气体的掺 混换热，加速气体冷凝，导致降压速率显著增大。对于低重力条件，当自旋速率 从 0.05 增加到 0.1 rad/s 时，流体质心的振荡频率从 0.027 Hz 增加到了 0.029 Hz， 即增加了 7.41%。此外，异质气体的存在能显著抑制蒸气冷凝速率，从而极大地 降低失压速率。</p

微重力条件下部分充液贮箱气液界面波动特性的数值模拟

微重力环境中部分充液贮箱内气液界面和气、液两相介质在残余重力或加速度干扰下的运动特征是先进空间流体管理技术的基础.本文针对空间贮箱常用构型和实际尺寸,基于邦德数相似准则设计了3个缩比模型,数值模拟了原型贮箱和缩比模型中加速度变化引起的贮箱内气液两相流动及气液界面上界面波的传播.数值模拟结果验证了原型和模型间的运动相似性,发现在满足邦德数相似准则的前提下,系统还近似满足韦伯数相似准则,或等价地,近似满足弗劳德数相似准则.此外,数值模拟结果也表明原型和模型间的运动存在细微偏差,这主要源于黏性耗散作用的差异.由韦伯数相似准则可知,缩比加大,贮箱尺寸减小,重力突变后由表面张力释放出来的驱动力增强,相同韦伯数下流动速度增大,黏性耗散作用随之增强,本文的数值模拟结果证实了该结论.相关结果可以用于指导空间贮箱流体管理技术的地面模拟试验的方案设计等

近壁防晃隔板对空间低温推进剂贮箱自增压过程的影响

空间低温推进剂贮箱长时间在轨运行期间，往往因壁面漏热使得贮箱内低温推进剂持续蒸发，引起贮箱内压力不断升高(即自增压现象),危及贮箱及航天器安全。为防止液体大幅度晃动，大尺度的空间贮箱内部会设置防晃隔板，后者可能对贮箱内气液流动与传热产生明显影响。采用VOF方法数值模拟了近壁防晃隔板对贮箱内气液两相流动及其热力学过程的影响，以便揭示防晃隔板对贮箱自增压过程的影响机制。不同重力环境部分充液贮箱内有无近壁隔板情形中液体晃动与热力学特征的数值模拟结果表明：贮箱内液面形貌决定于Bond数，远大于1的Bond数条件下液面基本保持水平，而Bond数小于1时液面会沿贮箱壁面爬升；近壁防晃隔板能够显著减少贮箱内工质质心的波动幅度；当近壁防晃隔板位于液面下方时，能阻碍近壁区液体暖流的上升，使得近壁区的液面温度偏低，自增压速率明显低于无隔板贮箱。最后，基于对近壁防晃隔板尺寸影响的仿真分析和比较，给出了不同重力条件下近壁防晃隔板的推荐结构。研究结果可以为空间贮箱流体管理技术的方案设计提供有价值的参考

重力跳变引起的贮箱内气液界面波传播规律

随着航天技术的进步，航天任务复杂性的不断提高，对液体火箭发动机多次关机重启的要求日益普遍，相应地对推进剂管理系统的要求也越来越严格。关机滑行期间，贮箱内重力水平减弱，毛细力开始成为主导作用力，液体推进剂在毛细力的作用下可能脱离排液口，使得供给发动机的推进剂夹气，导致点火失败。为了确保发动机在经历自由滑行后能顺利重启，就必须考虑贮箱内气液界面如何响应重力和加速度水平改变的问题。针对常用构型和尺寸的空间贮箱，数值模拟了不同Bo数下气液界面波的传播，研究了不同Bo数下界面波传播的机制，发现了贮箱内界面波的传播速度随着Bo数的增加而增大，并得到Bo数从1～5000范围内描述界面波传播规律的Fr数与Bo数之间的标度关系