地面及微重力条件下低温贮箱内相变和传热的数值仿真

为了预测航天器低温推进剂在轨工作时受热后的状态变化,采用二维轴对称Volume of Fluid(VOF)气液两相流计算流体力学模型,同时选择Lee提出的气液相变模型.由于模拟试验采用低温液氮贮箱,因此本文采用低温液氮贮箱为数值仿真对象.微重力情况下,贮箱内气枕区的压力和压力上升率均低于地面状况,重力水平越低,压力和压力上升率越小,并且气体形成的气枕区位置和形状因表面张力大小随温度不同而动态变化,液体区间的温差也随重力水平的降低而增大.     

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.      

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。      

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。      

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.      

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.      

一种空间相变换热器热设计与仿真分析及其改进

基于相变计算方法即焓法处理相变材料凝固/融化模型,对一个以水为主动冷却介质,内填充石蜡类相变蓄热材料的板式相变换热器的换热进行数值模拟.得到了不同重力条件下冷却面的温度分布,相变材料在融化过程中的动态温度场分布、相变界面分布、融化时间等结果,验证了该相变换热器的可行性.对比该相变换热器在重力与微重力不同条件下的性能差异,利用添加强化传热肋片与泡沫复合相变材料方法,提高了微重力条件下该类相变换热器的效率,可为空间相变蓄热装置的设计及实验研究提供重要参考.      

考虑环境干扰的大型贮液箱结构安全评估模型

针对大型贮液箱(LLT)结构安全评估面临的先验信息缺失、监测信息不完全可靠等问题,基于置信规则库(BRB)和有限元方法(FEM),提出了一种考虑环境干扰的大型贮液箱结构安全评估模型。基于行业标准和专家知识,借助有限元方法进行评估模型初始参数的估计;基于信息一致性方法计算指标可信度,以反映实际工程中扰动因素对监测数据的影响;提出一种新的融合方法,将指标可信度合理融合到模型推理过程中,完成评估模型的构建;选用10⁵ m³石油储罐作为研究对象,对所提模型的有效性进行验证。研究结果表明：所提模型不仅能有效处理监测数据不可靠问题,也能够将大型贮液箱复杂系统内部结构机理考虑在内,有效克服先验信息不足给评估精度带来的影响。     

液态金属镓微重力下的融化传热特性

相变蓄热适用于周期性热流作用下航天器内部工作单元的温度控制,但是需解决微重力环境下相变材料融化速率低的问题.鉴于液态金属高导热系数和高单位体积潜热的特点,在微重力下将液态金属作为相变材料有望提高融化速率.通过对微重力下液态金属镓融化过程的相界面演化、流线和温度分布特征进行数值研究,分析了腔体尺寸和过热度对融化过程的影响.结果表明:微重力下镓的融化过程中,热传导起主导作用;镓的融化时间比冰和正十八烷分别减少了88.3%和96.4%,储热量分别为冰和正十八烷的1.2倍和2.2倍;融化时间随过热度增加而减小,随腔体半径增大而增大.此外推导出了液相分数随无量纲时间变化的关系.      

烧结温度对高韧性Al2O3陶瓷断裂韧性的影响

针对一种通过球磨方法向初始原料氢氧化铝中添加晶种、采用热压方式烧结获得的高韧性Al₂O₃陶瓷材料,采用三点弯曲试件测定了不同烧结温度下的成组断裂韧度值,研究了烧结温度对该材料断裂韧性的影响规律,得出了断裂韧度随烧结温度增加有先升后降趋势,因而存在最佳烧结温度的结论.同时,通过不同烧结温度下瓷体表面显微结构的观察,分析了上述影响规律产生的机理.     

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.      

板式表面张力贮箱推进剂重定位过程数值仿真的网格收敛性分析

为了验证2.67 L卫星贮箱性能，通过建立贮箱仿真模型，分别对贮箱50%与60%填充率下推进剂的重定位过程进行仿真验证。为了提高仿真效率，通过引入GCI指数这一概念，对比295万、625万、767万、955万网格数量的仿真结果，对仿真模型的网格收敛性进行分析。通过两个工况仿真结果的对比验证，认为当网格数量为625万时，数值模拟的误差能够收敛，具有较高的仿真效率。基于该仿真模型，对比分析了贮箱在受到轴向、周向扰动时与不受扰动时推进剂重定位过程的质心坐标变化，发现在扰动持续1 s情况下，推进剂质心变化小于1×10^-3m,因此认为该板式贮箱具有较好的抗扰动能力。     

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.     

航天器交会对接中液体燃料晃动等效模型研究

以航天器交会对接过程中的平移靠拢段作为背景,研究适用于零重力和微重力环境下液体运动的等效力学模型.以欧空局无人货运飞船(ATV,automatic transfer vehicle)中建立的等效模型为参考,提出一种适用于零/微重力球形贮箱中液体晃动的弹簧-质量等效力学模型.该模型的各个参数通过将基于CFD计算的参数辨识方法和用于常重力液体晃动的传统建模方法结合运用来获取.对该模型进行介绍,然后描述等效模型参数的获取方法,并利用虚功率原理推导了晃动力和力矩的求解方程.通过与CFD软件Flow-3d的结果进行对比,对这种建模方法的可行性和准确性进行了分析.     

大面质比空间碎片在太阳光压和引力作用下的轨道演化

分析了较高轨道(a > 10000km)大面质比空间碎片的轨道动力学演化问题. 重点讨论了位于地球同步轨道的空间碎片轨道演化问题, 并给出轨道偏心率 随时间演化的表达式. 通过进一步分析得出, 倾角大于63°26'的GTO轨 道空间碎片, 仅在J₂和第三体摄动影响下, 会出现轨道偏心率升高; 而对 于大面质比空间碎片, 在J₂项和太阳光压同时作用下, 当近地点指向的角 变率与太阳平黄经变化率接近时, 会出现长期共振现象, 导致轨道偏心率升 高, 近地点降低. 分析还得出, 轨道演化过程中, 偏心率的最大值与初始轨 道近地点的指向有关.      

基于光纤陀螺的保偏光纤热致双折射

针对光纤陀螺在温度变化条件下的性能恶化问题,理论上分析了保偏光纤的热致双折射引起的偏振耦合是局限光纤陀螺精度的主要因素.采用有限元法计算光纤线圈在不同温度下的应力分布,并根据高低温不同的应力状态分别推导了双折射的变化情况.在光纤陀螺工作温度范围内,选取6个典型温度点计算光纤环上热应力和消光比的变化,结果显示,干扰双折射随温度变化的减小而减小,并将理论计算结果用测试消光比的试验验证.研究表明,双涂敷层光纤、胶粘剂、陀螺金属骨架材料的热力学性能的差异,导致光纤线圈在不同温度下折射率改变.在60℃时,光纤折射率差约为1×10^-4,与光纤本征折射率差5.5×10^-4达到同一个量级,这将严重影响光纤保偏性能及陀螺精度.     

微重力条件下泡沫复合相变材料蓄热装置数值仿真

相变材料由于相变过程中吸收或者释放大量能量且过程近似等温这一特性而有巨大的应用潜力,将相变材料蓄热装置应用于航天器是维持航天器内各个单元工作温度的一种有效方法.提出一种基于正二十烷的相变蓄热结构方案,分别填充泡沫铜与泡沫碳作为基体材料来强化相变材料的传热性能.通过对该模型进行数值仿真计算,得到相变蓄热装置温度、固液相界面位置随时间的变化等有效数据,分析泡沫相变蓄热材料在微重力条件下相变界面的演变过程.结果显示,得益于其较高的导热系数,泡沫复合相变材料可将热源热量有效分散到其他区域,减缓热源面温度上升速度,并且降低重力变化对传热的影响.所得数据结果为泡沫复合相变材料的工程应用提供了科学依据.      

静电悬浮加速度计地面高压悬浮原理与应用

静电悬浮加速度计是进行空间飞行器准稳态非重力精密测量的设备。静电悬浮加速度计研制中,需要借助高压悬浮来完成其功能和部分性能评价的相关工作。文章就地面静电悬浮加速度计检验质量高压悬浮中涉及的相关问题进行了理论分析,给出了地面悬浮原理、高压电路实现形式、工作点选取、稳定性控制、高压静电力作用分析等,给出了实际试验结果,表明地面上系统在0.1Hz附近具有10^-8g_n/Hz^1/2左右的分辨率,并可在悬浮状态下,完成功能及相关性能测试,获得静电悬浮加速度计地面直接性能评价受限的主要因素,同时就存在的问题进行了讨论。