液氮贮箱常压停放实验与数值仿真

为研究低温推进剂的常压停放过程,设计了可视化液氮贮箱实验系统。实验中研究充填率和环境温度对液氮汽化量的影响,并测量贮箱内流体和贮箱外壁面的温度随时间和位置的变化。实验得出贮箱常压停放过程,相变主要在壁面和气液界面产生,并且气枕区存在温度分层,距出口位置越近温度越高;而液体区温度基本一致,处于饱和状态。贮箱外壁面在轴向的温度分布显著不同,处于液体区壁面温度低。运用分子动力学推导出的Hertz-Knudsen公式作为气液相变的传热传质源项,并据实验测得温度边界条件,采用混合物模型对贮箱常压停放状态进行30 min的数值仿真。仿真得到结果显示体积汽化速率与实验数据的偏差在5%以内,液体区的温度仿真与实验的偏差在0.15 K左右。      

微重力下低温液氪贮箱热力学特性

在轨滑行阶段液氪贮箱长期处于微重力环境。为研究其内部传热和相变过程对大轨道转移飞行器贮供单元工作性能的影响,建立了微重力液氪贮箱CFD模型,采用VOF法及Lee气液相变理论,研究了重力水平、初始液氪温度、初始充满率对微重力下液氪贮箱热分层及压力变化的影响。结果表明:常重力g0下贮箱的压升率分别为10^-4 g₀,10^-5 g₀,10^-6 g₀的1.84倍、1.98倍、2.04倍,微重力下温度分层程度(2～3 K)远低于常重力(90 K);不同初始液氪温度下贮箱压力随时间呈先降低后升高的变化趋势,且初始液氪温度越低,贮箱压升率越小;微重力下液氪贮箱存在临界初始充满率,当初始充满率Φ>70%时贮箱压升率随初始充满率的升高而增大,当Φ<70%时贮箱压升率随初始充满率的升高而减小。     

微重力条件下初始液氢温度对低温推进剂贮箱气枕压力的影响

自生增压液氢推进剂贮箱在轨滑行阶段将长期（数百秒）处于微重力环境下，其贮箱压力受多种因素影响.液氢低温推进剂接近饱和温度时，因传热等影响而极易产生相变，从而影响贮箱压力.通过建立贮箱三维CFD模型，研究了不同初始液氢推进剂温度对于贮箱压力和温度变化等的影响.计算结果表明，气液界面附近推进剂温度与当前气体压力下饱和温度之差（过冷度）越大，压力下降速率越大.随着气体压力下降，气枕温度降低，压力下降速率也逐渐减小，压力变化曲线趋于平缓.在初始液体推进剂温度低于平衡温度的情况下，初始液体推进剂温度越高，平衡压力越高.      

基于Surface Evolver的推进剂贮箱气液界面分析

推进剂贮箱是航天器系统的重要部件，用于实现推进剂的管理与输运.在空间微重力条件下，贮箱内部液面呈弯曲状，掌握其液面分布特性是保证贮箱正常工作的前提.针对球形推进剂贮箱，采用Surface Evolver软件对其内部气液自由界面分布特性展开研究，分析充液比、接触角、Bond数等参数对贮箱液面的影响，得到液面分布随各参数的变化规律.研究结果表明，球形贮箱液面曲率随充液比的增大而增大，随接触角或Bond数的增大而减小.研究结果有助于实现推进剂贮箱液面快速分析，为贮箱及推进剂管理装置设计提供参考.      

加注流量对叶片式贮箱中气液分布的影响

针对推进剂在轨加注任务中,接受贮箱内气液位置不确定,排气和质心控制困难的问题,以NASA的FARE Ⅱ试验中的贮箱为参考,根据表面张力贮箱相关理论,建立计算模型.采用数值模拟的方法,对不同加注流量条件下,叶片式表面张力贮箱内气液分布进行研究.运用Fluent流体仿真软件,以肼为工质,对叶片式表面张力贮箱在轨加注过程进行数值模拟.仿真结果表明：加注流量越大,贮箱中部气液界面凸起越高;当加注流量超过临界值,流入的推进剂经过排气管排出.研究结果对于叶片式贮箱在轨加注过程中的流量控制具有参考价值.     

液氙加注过程中贮箱充填率影响因素分析

液氙在加注过程中可能会出现相变进而降低贮箱的充填率，因此需要了解贮箱充填率的影响因素。采用零维集总参数模型对液氙加注系统进行建模和仿真。基于AMESim计算液氮无排气加注过程中贮箱的充填率，其与文献中的实验结果接近。同时，基于AMESim搭建液氙加注系统，计算不同入口过冷度、入口压强、壁面温度和热流量条件下贮箱的充填率。结果表明，在相同加注时间条件下，提升入口过冷度、增加入口压强可以提升贮箱的充填率，而管路和贮箱受热会降低贮箱的充填率。      

贮箱内低温推进剂汽化过程的CFD数值仿真

为研究贮箱内低温推进剂相变对推进剂温度和贮箱压力的影响,对贮箱内的传热传质过程进行了仿真.仿真涉及的物理过程包括贮箱与外界环境的换热、推进剂的自然对流、推进剂与贮箱内壁面的换热以及低温推进剂的相变过程等.根据热力学平衡原理建立了低温推进剂相变模型,使用CFD(Computational Fluid Dynamic)方法对处于地面常压停放状态的液氢贮箱进行了450 s的仿真.研究表明随着贮箱壁面传热过程的稳定,推进剂的温度分布、流动状态以及相变情况会趋于稳定;通过仿真获得了推进剂单位时间的汽化量;影响相变的主要因素是贮箱壁面漏热以及推进剂自身的对流运动.     

随机振动条件火箭贮箱增压系统工作过程仿真

为研究随机振动对贮箱增压系统动态特性和稳定性的影响,引入管路元件壳体坐标实现外激振动的加载,以谐波叠加法模拟飞行环境的随机振动过程,对管路和管路元件分别建立拉格朗日坐标下的一维流动方程和常微分方程组以模拟增压系统动态工作过程,对某贮箱增压系统有/无外界激励振动条件下的工作过程进行了全程计算.计算结果表明:振动环境下减压器、稳压器等运动元件的瞬时流量变化在增压系统中产生压力波动,某些情况下,会导致减压器等出现具有一个主要频率的振荡过程,影响减压器工作稳定性;振动过程中贮箱气枕压力基本不受影响.无振动条件下的计算结果与试验数据基本吻合.提出的模型和方法在贮箱增压系统工作过程仿真中显示了较好的有效性.     

差动活塞式燃气自增压系统参数设计方法

针对基于单组元肼类物质为工质的液体姿轨控发动机差动活塞式燃气自增压系统,分析了系统的工作原理,提出了系统的参数设计方法,建立了系统的参数设计流程,给出了系统的起动压力计算模型和自锁状态计算方法,并进行了实例研究。结果表明:系统最低起动压力与压力放大贮箱气体腔初始体积、活塞摩擦力和推进剂贮箱初始气垫体积直接相关;系统自锁后,推进剂贮箱压力的设计状态受推进剂贮箱所允许的最大压力上偏差和流量调节器与推进剂贮箱间的压降所约束;推进剂贮箱的工作压力范围是可以根据需要通过燃气自增压系统的设计来保证的。     

自增压式丁烷微推进系统建模与工作特性仿真研究

利用AMESim+AMESet建立了丁烷微推进系统一维仿真模型，该模型包含：考虑丁烷相变的自增压贮箱、稳压气容、PID控制的电加热推力器等组件.研究自增压贮箱、电磁阀、气容和推力器的静态工作特性，分析气容体积和推力器加热功率以及推力器扩张比对系统工作特性的影响，对丁烷推进系统的动态响应特性进行探讨.结果显示，自增压贮箱内流体在温控系统的控制下能够实现稳定的压力，在变目标推力时系统的响应较快，增加气容体积有利于提高系统工作稳定性.当前推进系统在稳定工作时的推力器最大质量流量为0.079 g/s，最大推力为102 mN.贮箱自增压过程中PID温控对贮箱内工质压力具有重要影响.无温控时，推进剂的持续流入和蒸发造成贮箱液体丁烷排空时的气容压力下降了19.5%；施加PID温度控制后，气容内工质压力稳定在0.302 MPa，工质温度会快速稳定在293.15 K附近.较大的气容体积能够让推力输出更稳定.通过电加热推力器腔体内的丁烷气体可以有效提高推力.推力器加热功率从0 W增加到30 W时，推力从92 mN增加到114 mN，比冲效率从76.2%增加到94.3%.     

不同重力条件下单气泡池沸腾现象的数值研究

对不同重力条件下常压饱和水中单气泡池沸腾现象的气泡生长过程及传热特性进行了数值模拟. 采用简化的润滑流模型计算生长气泡底部微液膜的贡献, 而其他宏观区域的气液两相介质则用连续界面模型统一处理. 气液界面形状和加热面上接触线的运动分别采用Level Set方法和固定的表观接触角来近似刻画. 计算结果表明, 气泡生长过程中, 当量直径近似与生长时间的1/3～1/2次方成正比, 重力对相关趋势的影响不大, 但强烈影响着气泡脱落直径和生长时间, 其中脱落直径反比于重力的1/3次方, 生长时间反比于重力的4/5次方. 在固定的核化点数密度条件下, 加热面平均热流密度近似与壁面过热度的3/2次方成正比, 该趋势并不随重力的减弱而改变.      

不同重力条件下水平管内气液两相流流型及空隙率分布的数值模拟

基于VOF方法建立了不同重力条件下水平管内气液两相流动的三维非稳态数学模型并进行了数值求解, 研究了10-4g₀, 0.17g₀, 0.38g₀, 1g₀ (g₀=9.8m·s-2)四种重力条件下水平管内气液两流型及变化规律, 比较了不同重力条件下管内截面空隙率的分布和波动规律. 研究结果表明, 该模型能够正确预测不同重力条件下水平管内气液两相流的流型、截面空隙率和滑速比等重要参数; 同一气液两相表观速度工况下, 随着重力水平的升高, 气相更容易在水平管的上部积聚合并, 致使流型发生变化, 同时, 气液两相滑速比增大, 截面空隙率波动峰值的平均值下降, 波动频率降低; 而随着气液两相表观速度的增大, 两相混合工质内惯性力作用也随之增强, 这将削弱重力变化的影响.      

N_2O单组元微推进系统贮箱自增压特性

建立了氧化亚氮(N₂O)贮箱自增压地面试验系统,针对亚牛级氧化亚氮单组元微推进系统的推进剂自增压供给过程开展了初步测试试验.基于三区域集总参数物理模型建立了氧化亚氮单组元微推进系统贮箱自增压数学模型,针对相同试验条件下的贮箱自增压过程开展了数值模拟,模拟结果与试验数据吻合较好,验证了仿真模型的准确性.仿真及试验结果均表明,为了确保推力器工作全过程中推进剂供应稳定,在亚牛级氧化亚氮单组元微推进系统的自增压过程中需要对氧化亚氮贮箱进行热量补偿来保证贮箱压力的稳定性,而贮箱压力下降速度分别随着贮箱初始充填率的减少、贮箱容积的减小及氧化亚氮质量流率的增加而增大.     

某火箭三子级剩余推进剂汽化研究

针对某火箭三子级剩余推进剂的汽化过程,建立了一个零维的数学物理模型.在给定太阳辐 射角的工况下,对贮箱中低温液体推进剂汽化时,贮箱内气体温度和压力变化、贮箱内质量 变化、进入贮箱的外界热流的变化及贮箱排放推力的变化等进行了数值计算,并对贮箱保险 活门排放推力对火箭在轨速度的极限影响作了简单分析.计算结果可进一步用于该火箭三子 级钝化技术的研究.     

微重力环境下大叶片板式贮箱内流体行为的数值仿真与试验验证

大叶片板式贮箱是当前最为先进的一种新型贮箱,大叶片板式结构是该贮箱推进剂管理的核心部件.对微重力条件下大叶片板式贮箱内流体行为进行了数值仿真和微重力试验验证.采用液体体积分数法(VOF,volume of fluid)两相流动模型数值模拟板式贮箱内流体流动特性,得到了流体分布规律.搭建了大叶片板式贮箱缩比模型试验系统,对板式贮箱内流体行为进行微重力落塔试验,得到微重力环境下流体特性.数值仿真和试验结果表明,大叶片板式贮箱在微重力环境下管理流体性能良好,大叶片板式结构为空间流体(包括低温流体)管理提供一种良好的途径.同时本文仿真和试验为国内板式贮箱设计提供了必要的支撑数据.     

挡板对液体推进剂晃动力的影响

研究了全尺度重力探测卫星－Ｂ贮箱对于安装档板和不安装挡板情形下液体推进剂晃动的液体动力特性。结果显示,以重力瞬变加速度和重力梯度加速度为作用力的轨道加速度使液体推进剂产生了晃动,安装挡板使晃动幅度减小。由于推进剂在贮箱中上下运动的同时伴随着左右运动而产生了作用于贮箱上的力,通过液体推进剂与贮箱壁面的应力关系计算了作用在贮箱上的力。计算模拟结果显示,挡板产生的阻尼在减少流体晃恸 的同时也减少了流体作     

航天器贮箱气液自由界面追踪数值模拟

主要讨论了航天器贮箱在轨道航行时的微重力状态下其液体推进剂在贮箱内的形态分布及控制.文中采用VOF方法,加入了表面张力的效应,追踪气液两相流的自由界面,对液面在微重力条件下的位形变化进行了数值模拟.通过比较不同重力加速度及接触角下的两相流的相图,分析了影响贮箱中液体推进剂位形变化的主要因素及对其有效的控制方法.      

大容量推进剂贮箱液体晃动性能试验

对某种内带推进剂管理装置（PMD）的大容量推进剂贮箱内液体晃动性能进行试验.开展不同充液比工况下空壳贮箱液体晃动试验,分析比较晃动试验结果与采用等效动力学模型的液体晃动理论计算结果,两者结果一致吻合,试验系统可靠性和理论模型的正确性得到良好验证.然后开展了不同充液比工况下内带PMD贮箱液体晃动试验,试验结果表明贮箱内液体晃动性能受内部PMD结构影响明显.该试验研究结果为运载火箭和卫星的姿态和轨道控制系统的设计优化提供重要参考和数据支撑.     

DMFC内部气液两相流动与电性能的短时落塔实验研究

利用国家微重力实验室落塔提供的短时微重力实验环境,对常重力和微重力条件下直接甲醇燃料电池(DMFC)内部的气液两相流动形态和相应电性能等的影响进行了实验研究,发现在微重力条件下,DMFC阳极流道内CO₂气泡速度很小,气泡尺寸随着时间的推移而不断长大,甚至堵塞流道;流道堵塞现象随电流增大而急剧强化.电性能曲线显示,在浓差极化区存在显著的重力效应,电性能的恶化随浓差极化程度的加强而增大.      

带有网孔隔板的球形贮箱内液体的晃动问题

本文研究了复杂结构贮箱内液体的晃动问题.采用有限元-外推方法对一些复杂结构贮箱, 特别对带有网孔隔板的球形贮箱内液体晃动特性作了详细的分析、计算和比较;在此基础上建立了充液系统的等效力学模型, 并揭示了多个自由液面晃动特性与单一的自由液面晃动的不同之处.