低溫推進劑貯存中的自增壓現(xiàn)象及液體量測量方法研究.pdf

1、未來的深空探測以及在軌加注任務(wù)等都要求高效經(jīng)濟的推進劑。低溫推進劑，例如液氫、液氧、液態(tài)甲烷等，以其高比沖、無毒無污染、價格相對低廉等特點，被普遍認為是航天器進入空間及軌道轉(zhuǎn)移最經(jīng)濟、效率最高的化學推進劑，逐漸成為各航天大國研究的重點。由于低溫推進劑的貯存溫度低，與環(huán)境存在很大溫度差，容易導致貯箱漏熱發(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。低溫推進劑的長期在軌安全貯存是影響其未來航天應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對低溫推進

2、劑貯存過程中涉及的兩相流關(guān)鍵問題，包括自增壓現(xiàn)象、換熱方式對貯存中自增壓現(xiàn)象的影響、貯箱壓力/溫度控制及液體量測量等，進行了較為系統(tǒng)深入的研究。論文主要工作如下：
　?。?）針對無排放低溫貯箱的自增壓現(xiàn)象進行了理論分析。建立了低溫推進劑貯存的物理及數(shù)學模型，提出了低溫容器自增壓的理論計算方法。建立了氣體集中參數(shù)與液體導熱相結(jié)合的熱擴散模型，編寫了相應(yīng)的計算程序，并利用已有文獻中的實驗數(shù)據(jù)對理論計算模型進行了驗證，熱擴散模型的預測值

3、與實驗值具有較好的吻合度。利用熱擴散理論計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自增壓的影響。
　　（2）針對對流換熱對自增壓現(xiàn)象的影響進行了數(shù)值模擬。建立了流體體積分數(shù)法（Volume of Fluid，VOF）與Hertz-Knudsen-Schrage相變模型相結(jié)合的計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）模型，利用已有實驗數(shù)據(jù)驗證了模型的可行性，分析了流體流動

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，重點研究了漏熱量、漏熱方式、填充水平及重力水平對無排放低溫貯箱貯存過程中自增壓現(xiàn)象的影響。分析得出：漏熱量、漏熱方式和填充水平對低溫推進劑無排放貯存過程中的流體流動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，導致局部過冷沸騰，使壓力上升速率隨重力水平減小而增大。
　?。?）針對局部過冷沸騰換熱對自增壓現(xiàn)象的

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

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

7、（5）針對低溫推進劑液體量測量的體積激勵法進行了實驗研究。搭建了相應(yīng)的地面驗證系統(tǒng)，給出了實驗方案，并開展了貯箱接觸式體積激勵法測量液體量的地面驗證實驗。實驗結(jié)果表明：在不同填充水平下的液體量測量，測量誤差皆能控制在貯箱總體積的1％以內(nèi)，且測量系統(tǒng)具有很好的可靠性和結(jié)果可重復性；在低頻激勵下，測量值低于真實值，而在高頻激勵下，測量值高于真實值；激勵頻率對差壓信號具有倍頻諧波效應(yīng)，該效應(yīng)將對信號處理濾波器設(shè)計產(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測量方法，對測量系統(tǒng)進行了改進并開展相應(yīng)的驗證實驗。結(jié)果表明：進行非接觸式測量時，激勵頻率應(yīng)該比接觸式測量時更低，才能保證激勵腔內(nèi)的壓力變化情況較好地傳遞到貯箱內(nèi)。
　　（6）針對航天器姿態(tài)干擾和貯箱漏熱情況下液體量測量的體積激勵法進行了研究。針對航天器姿態(tài)干擾，建立了姿態(tài)干擾的影響模型，對具有初始熱分層現(xiàn)象的貯箱進行了晃動數(shù)值模擬；同時搭建了貯箱受到姿態(tài)干擾時的地面模擬系統(tǒng)，開展了貯箱晃動過程中體積激勵法測

9、量液體量的相關(guān)實驗，驗證了該方法在貯箱受到姿態(tài)干擾時的測量精度。針對貯箱漏熱的影響，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體積激勵法產(chǎn)生的影響；改進了地面實驗系統(tǒng)，增加了加熱設(shè)備，開展了貯箱漏熱時體積激勵法測量液體量的相關(guān)實驗，得到了貯箱漏熱對體積激勵法測量液體量精度的影響規(guī)律。
　　論文采用理論分析、數(shù)值模擬及實驗研究的方法對低溫推進劑貯存過程中的自增壓現(xiàn)象及液體量測量方法進行了研究，對低溫推進劑貯存過程中的流