低溫推進(jìn)劑貯存中的自增壓現(xiàn)象及液體量測(cè)量方法研究.pdf

1、未來(lái)的深空探測(cè)以及在軌加注任務(wù)等都要求高效經(jīng)濟(jì)的推進(jìn)劑。低溫推進(jìn)劑，例如液氫、液氧、液態(tài)甲烷等，以其高比沖、無(wú)毒無(wú)污染、價(jià)格相對(duì)低廉等特點(diǎn)，被普遍認(rèn)為是航天器進(jìn)入空間及軌道轉(zhuǎn)移最經(jīng)濟(jì)、效率最高的化學(xué)推進(jìn)劑，逐漸成為各航天大國(guó)研究的重點(diǎn)。由于低溫推進(jìn)劑的貯存溫度低，與環(huán)境存在很大溫度差，容易導(dǎo)致貯箱漏熱發(fā)生，引起貯箱內(nèi)流體相變、壓力上升和溫度分層等自增壓現(xiàn)象產(chǎn)生。低溫推進(jìn)劑的長(zhǎng)期在軌安全貯存是影響其未來(lái)航天應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對(duì)低溫推進(jìn)

2、劑貯存過(guò)程中涉及的兩相流關(guān)鍵問(wèn)題，包括自增壓現(xiàn)象、換熱方式對(duì)貯存中自增壓現(xiàn)象的影響、貯箱壓力/溫度控制及液體量測(cè)量等，進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的研究。論文主要工作如下：
　?。?）針對(duì)無(wú)排放低溫貯箱的自增壓現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析。建立了低溫推進(jìn)劑貯存的物理及數(shù)學(xué)模型，提出了低溫容器自增壓的理論計(jì)算方法。建立了氣體集中參數(shù)與液體導(dǎo)熱相結(jié)合的熱擴(kuò)散模型，編寫了相應(yīng)的計(jì)算程序，并利用已有文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)理論計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證，熱擴(kuò)散模型的預(yù)測(cè)值

3、與實(shí)驗(yàn)值具有較好的吻合度。利用熱擴(kuò)散理論計(jì)算模型分析了漏熱量、填充水平、漏熱方式、貯箱大小及非冷凝氣體對(duì)自增壓的影響。
　?。?）針對(duì)對(duì)流換熱對(duì)自增壓現(xiàn)象的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬。建立了流體體積分?jǐn)?shù)法（Volume of Fluid，VOF）與Hertz-Knudsen-Schrage相變模型相結(jié)合的計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模型，利用已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的可行性，分析了流體流動(dòng)

4、形態(tài)、壓力上升規(guī)律及溫度分層現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了漏熱量、漏熱方式、填充水平及重力水平對(duì)無(wú)排放低溫貯箱貯存過(guò)程中自增壓現(xiàn)象的影響。分析得出：漏熱量、漏熱方式和填充水平對(duì)低溫推進(jìn)劑無(wú)排放貯存過(guò)程中的流體流動(dòng)和溫度分層有較大影響。在相同漏熱量下，漏熱初期，低溫貯箱壓力上升速率隨重力水平減小而降低；漏熱后期，在壁面較易發(fā)生局部回流，導(dǎo)致局部過(guò)冷沸騰，使壓力上升速率隨重力水平減小而增大。
　?。?）針對(duì)局部過(guò)冷沸騰換熱對(duì)自增壓現(xiàn)象的

5、影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。搭建了地面實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，分析了初始?jí)毫?、填充水平和漏熱量等因素?duì)壓力上升、溫度分層和汽泡特性的影響，得到了貯箱壓力上升規(guī)律。重點(diǎn)研究了密閉容器壓力變化下汽泡的動(dòng)力學(xué)行為，對(duì)不同測(cè)量工況下汽泡尺寸變化規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，建立了汽泡的指數(shù)型生長(zhǎng)模型。
　?。?）針對(duì)低溫推進(jìn)劑貯存的貯箱壓力/溫度控制方法進(jìn)行了研究。建立了采用壁面肋片進(jìn)行壓/溫控的數(shù)學(xué)模型，分析了肋片間距、材料類型、截面形狀等因素對(duì)貯箱壓力上升及溫度分布

6、的影響。結(jié)果表明：壁面布置肋片加強(qiáng)了肋片間被壁面加熱的流體與過(guò)冷主體流體的混合，在一定程度上降低了壓力上升速率和壓力值。針對(duì)排氣降壓過(guò)程中的液體閃蒸現(xiàn)象，建立了基于 Hertz-Knudsen-Schrage相變模型的液體溫度變化模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性。結(jié)果表明：液體閃蒸時(shí)，其溫度在初期迅速下降，而后下降速率逐漸減小，到達(dá)拐點(diǎn)后溫度趨于穩(wěn)定；過(guò)熱度及填充水平對(duì)液體溫度變化有重要影響，而初始溫度對(duì)溫度變化影響較小。
　　

7、（5）針對(duì)低溫推進(jìn)劑液體量測(cè)量的體積激勵(lì)法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。搭建了相應(yīng)的地面驗(yàn)證系統(tǒng)，給出了實(shí)驗(yàn)方案，并開展了貯箱接觸式體積激勵(lì)法測(cè)量液體量的地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在不同填充水平下的液體量測(cè)量，測(cè)量誤差皆能控制在貯箱總體積的1％以內(nèi)，且測(cè)量系統(tǒng)具有很好的可靠性和結(jié)果可重復(fù)性；在低頻激勵(lì)下，測(cè)量值低于真實(shí)值，而在高頻激勵(lì)下，測(cè)量值高于真實(shí)值；激勵(lì)頻率對(duì)差壓信號(hào)具有倍頻諧波效應(yīng)，該效應(yīng)將對(duì)信號(hào)處理濾波器設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。在此基礎(chǔ)上，提出了一

8、種貯箱非接觸式體積激勵(lì)測(cè)量方法，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)并開展相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：進(jìn)行非接觸式測(cè)量時(shí)，激勵(lì)頻率應(yīng)該比接觸式測(cè)量時(shí)更低，才能保證激勵(lì)腔內(nèi)的壓力變化情況較好地傳遞到貯箱內(nèi)。
　?。?）針對(duì)航天器姿態(tài)干擾和貯箱漏熱情況下液體量測(cè)量的體積激勵(lì)法進(jìn)行了研究。針對(duì)航天器姿態(tài)干擾，建立了姿態(tài)干擾的影響模型，對(duì)具有初始熱分層現(xiàn)象的貯箱進(jìn)行了晃動(dòng)數(shù)值模擬；同時(shí)搭建了貯箱受到姿態(tài)干擾時(shí)的地面模擬系統(tǒng)，開展了貯箱晃動(dòng)過(guò)程中體積激勵(lì)法測(cè)

9、量液體量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法在貯箱受到姿態(tài)干擾時(shí)的測(cè)量精度。針對(duì)貯箱漏熱的影響，利用自增壓現(xiàn)象的研究成果，討論了壓力變化和液體溫度分布對(duì)體積激勵(lì)法產(chǎn)生的影響；改進(jìn)了地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，增加了加熱設(shè)備，開展了貯箱漏熱時(shí)體積激勵(lì)法測(cè)量液體量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，得到了貯箱漏熱對(duì)體積激勵(lì)法測(cè)量液體量精度的影響規(guī)律。
　　論文采用理論分析、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)低溫推進(jìn)劑貯存過(guò)程中的自增壓現(xiàn)象及液體量測(cè)量方法進(jìn)行了研究，對(duì)低溫推進(jìn)劑貯存過(guò)程中的流