垂直管道低溫汽-液兩相流動(dòng)彈狀流流型及動(dòng)態(tài)特性的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代空間技術(shù)火箭工業(yè)的迅速發(fā)展,低溫推進(jìn)劑在輸送中出現(xiàn)的間歇泉現(xiàn)象成為低溫多相流科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一。低溫間歇泉現(xiàn)象一般發(fā)生在連接推進(jìn)劑貯箱與火箭引擎的輸送管路中,主要是由于管路漏熱導(dǎo)致氣泡產(chǎn)生并不斷增多、聚合,形成阻塞管路的彈狀流氣泡在噴發(fā)后形成的非穩(wěn)定性現(xiàn)象。汽泡噴發(fā)后引起的液體回流以及管路內(nèi)氣體冷凝壓縮作用形成的壓力波動(dòng)將對(duì)管路造成結(jié)構(gòu)性損壞,因此對(duì)低溫輸送管路內(nèi)部汽泡的產(chǎn)生、聚合和上升以及彈狀汽泡的形成和發(fā)展等現(xiàn)象的研

2、究具有重要的學(xué)科意義和實(shí)用價(jià)值。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析,針對(duì)低溫液體具有的汽相與液相間密度差別小、蒸發(fā)潛熱小等獨(dú)特的熱力學(xué)特性、沸騰傳熱特性和動(dòng)力學(xué)特性,克服低溫汽液兩相流實(shí)驗(yàn)測(cè)量難度大的困難,對(duì)低溫液體垂直輸送管路中所發(fā)生的汽液兩相流現(xiàn)象進(jìn)行深入的研究。對(duì)汽泡的產(chǎn)生、聚合現(xiàn)象,彈狀汽泡的生成機(jī)理,彈狀汽泡和液彈的運(yùn)動(dòng)速度和長(zhǎng)度分布及管路內(nèi)流動(dòng)動(dòng)態(tài)特性等涉及間歇泉產(chǎn)生的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,具體內(nèi)容為:

3、　　 (1)搭建了低溫輸送管路流動(dòng)特性的可視化研究模擬實(shí)驗(yàn)裝置和管內(nèi)低溫汽液兩相流動(dòng)動(dòng)態(tài)特性研究的模擬實(shí)驗(yàn)裝置。通過(guò)圖像采集系統(tǒng)獲得的圖像資料對(duì)管路內(nèi)彈狀汽泡的初始形成位置,彈狀汽泡和液彈沿管路軸向的運(yùn)動(dòng)速度和長(zhǎng)度分布進(jìn)行了研究,并擬合了低溫輸送管路中不同位置處彈狀汽泡的長(zhǎng)度分布公式。并且通過(guò)對(duì)管壁的溫度、管內(nèi)流動(dòng)的差壓和壓力的動(dòng)態(tài)信號(hào)在頻域和時(shí)域上的分析,探討了垂直向上管內(nèi)低溫汽液兩相流的泡狀流型、彈狀流型的特征、流型過(guò)渡規(guī)律,及管

4、道幾何因素對(duì)低溫汽液兩相流流型的影響以及其流動(dòng)動(dòng)態(tài)特性。
　　 (2)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在以下幾方面進(jìn)行了分析研究和探討:1)彈狀汽泡的初始形成位置隨傾斜角度(管路與豎直方向的夾角)變化。在相同熱流密度下,隨著管道傾斜角度的逐漸增大,彈狀汽泡平均初始形成位置先增加后減小。本實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)傾斜角度為30°時(shí),彈狀汽泡的平均初始形成位置最高。2)隨著傾斜角度的增加,彈狀汽泡和液彈的平均長(zhǎng)度均先增大后減小,在管路的傾斜角度為30°時(shí)彈狀汽泡和液彈

5、的平均長(zhǎng)度達(dá)到最大值；隨著沿管路軸向位置的增加,彈狀汽泡和液彈的平均長(zhǎng)度均逐漸增大；在相同傾斜角度下,相同x/D位置處,小管徑管路中彈狀汽泡的平均長(zhǎng)度大于大管徑管路中彈狀汽泡的平均長(zhǎng)度而液彈的情況正好相反。3)彈狀汽泡和液彈的上升速度隨著管路傾斜角度的增加,其上升速度先增大后減小。彈狀汽泡的上升速度在θ=30°處達(dá)到最大值。液彈上升速度的最大值一般出現(xiàn)在傾角為20°或30°處。
　　 (3)實(shí)驗(yàn)研究了系統(tǒng)壓力對(duì)垂直向上管內(nèi)低溫汽

6、液兩相流的壓力波動(dòng)的影響。定性結(jié)果表明:垂直向上管內(nèi)低溫汽液兩相流的壓力波動(dòng)與常溫汽液兩相流的壓力波動(dòng)類(lèi)似,受傾斜角度、熱流密度和系統(tǒng)壓力等因素變化的影響。其流型變化也基本相同。5)當(dāng)系統(tǒng)壓力為OkPa時(shí),在所有實(shí)驗(yàn)條件下,即不同管徑、不同傾斜角度、不同熱流密度條件下,管路不同位置處的壓力功率譜密度圖的變化趨勢(shì)幾乎相同。隨著測(cè)壓點(diǎn)位置的升高,其功率譜密度較大的頻段逐漸右移,曲線從單峰向雙峰變化。而當(dāng)存在系統(tǒng)壓力時(shí),管路內(nèi)壓力波動(dòng)受到較強(qiáng)

7、的抑制,并且隨著系統(tǒng)壓力的增加,其對(duì)壓力波動(dòng)的抑制作用逐漸增強(qiáng),從而可知對(duì)低溫汽液兩相流系統(tǒng),抑制壓力波動(dòng)的有效措施為在系統(tǒng)允許的前提下,可采用增大系統(tǒng)壓力的方法,進(jìn)而可以防止低溫液體輸送管內(nèi)的間歇泉現(xiàn)象的發(fā)生。
　　 (4)對(duì)低溫輸送管內(nèi)汽泡的碰撞、聚合過(guò)程進(jìn)行了理論分析,建立了描述這一過(guò)程的MUSIG模型,并采用新建模型對(duì)低溫推進(jìn)劑管路內(nèi)的彈狀汽泡形成過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明,本模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)汽泡起始聚

8、合高度、彈狀汽泡形成高度以及汽泡尺寸分布等重要參數(shù)。主要獲得如下結(jié)論:1)本文建立的MUSIG(MUlti-SIze-Group)模型能夠有效預(yù)測(cè)推進(jìn)劑管內(nèi)汽泡由彌散汽泡聚合為彈狀汽泡的過(guò)程；2)增加管路的傾斜角度可以在更高截面平均空泡份額的條件下降低汽泡的聚合速率并延遲彈狀汽泡的形成；3)本模型可以預(yù)測(cè)輸送管內(nèi)的汽泡尺寸組成情況,有助于分析彈狀汽泡及間歇泉形成的幾率,以便于及時(shí)采取措施抑制間歇泉的發(fā)生。
　　 本文主要圍繞低溫