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.      

图像法求液滴表面张力和接触角

空间流体实验具有无人操作的特殊性,需要对监控图像进行实时处理,得到目标参数.本文研究了利用照相机捕捉到的液滴灰度图像,分析求取液滴的表面张力、接触角、体积等物理参数的方法.针对液滴的灰度图像,利用边界提取、域值分割等图像处理方法,得到液滴的基本轮廓.建立基于液面像素点坐标的拉普拉斯方程,运用牛顿一拉夫逊法、龙格-库塔法、坐标轮换法等多种数值方法,对液滴的边界进行拟合,寻求最优的轮廓拟合点.根据最优的拟合点,确定液滴的物理参数.提出了利用牛顿法与一维寻优相结合的算法进行轮廓拟合的方法,并与文献[1]提出的算法进行了比较,证明了该方法具有收敛速度较快,拟合精度较高的特点.该方法是实现空间蒸发液滴热毛细对流和接触角测量实验的一项关键技术,同时也可以运用到非接触测量的实验场合.      

大容量表面张力贮箱流阻特性的计算分析

对贮箱内部的流阻分布情况进行计算具有重要意义,它不但可以为整个推进系统的流阻分析提供依据,而且是并联贮箱平衡排放研究的基础,它能够为贮箱筛选提供参考,同时能够找出对流阻影响最大的部位,以便在加工过程中对其一致性进行严格控制。对一种部分管理的大容量表面张力贮箱的内部流阻情况进行计算和分析,在建立推进剂管理装置内部流阻分布的数学模型的基础上,对各个部位的流动情况进行详细分析,得到了多种状态、不同流量条件下推进剂管理装置各部位流阻分布的情况,以及管理装置流阻分布随着总流量变化的关系。     

空间机动服务平台在轨补给技术研究

根据空间机动服务平台的特点,对推进剂在轨补给技术进行了研究,提出了一种空间机动平台推进剂在轨补给方案,即基于表面张力贮箱作为加注箱和接受箱的双组元推进系统的在轨加注方案。该方案具有如下优点：与现有卫星推进系统相匹配,改动量最少;没有使用任何活动部件,提高了系统的可靠性;产生的热量比倍压式要少,便于缩短加注时间,提高加注的可靠性和安全性。依据这一方案对空间机动平台在轨补给系统进行了详细设计。     

Effect of non-uniform basic temperature gradient on the onset of Marangoni convection in a fluid with suspended particles

The effect of a non-uniform basic temperature gradient on the onset of convection driven by surface tension in a horizontal layer of a Boussinesq fluid with suspended particles confined between an upper free, constant heat flux boundary and a lower rigid isothermal boundary is considered. The microrotation is assumed to vanish at the boundaries. A linear stability analysis is performed. The Rayleigh–Ritz technique is used to obtain the eigenvalues. The influence of various parameters on the onset of convection has been analyzed. Six different non-uniform basic state temperature profiles are considered and their comparative influence on onset is discussed. It is observed that the fluid layer with suspended particles heated from below is more stable compared to the classical fluid layer without suspended particles. The problem has possible applications in microgravity situations.     

检测斜拉索张力的振动法及其应用

介绍了检测斜拉索张力的振动方法,并结合现场测试工作讨论了索力测量系统的硬件和软件设计。针对环境随机激励下斜拉索的低阶自振频率不容易识别的问题,研究了瞬态激励的检测试验方案和检测技术。工程实际应用表明:振动法检测斜拉索张力简便实用,所需仪器设备极易携带,检测结果可靠、精度高,且能满足工程应用要求。     

微重力环境下推进剂贮箱中三维气液平衡界面的数值模拟

以部分管理表面张力贮箱的管理舱为研究对象,利用三维气液平衡界面计算程序Surface Evolver,在无重力和微重力且几何边界条件比较复杂的环境下对管理舱内的气液平衡界面进行数值模拟;计算结果与已经应用卫星的理论计算完全吻合。     

表面张力贮箱推进剂管理装置流阻的计算

为了在设计卫星用表面张力贮箱时，正确地计算出推进剂管理装置中液体推进剂的流阻，根据液体的流动特性，研究了卫星用表面张力贮箱推进剂管理装置中推进剂在管道，筛网和一些局部流阻的计算方法，给出了各部分流阻的计算公式，据此实际计算了一个简单的推进剂管理装置，并和实验进行了比较，结果表明理论和实验较为符合。     

板式贮箱内部流动的定常和非定常数值模拟

为了研究微重力环境下板式表面张力贮箱的内部流动规律,对板式贮箱导流板的驱动机理进行了分析,得到了微重力环境下板式贮箱内部定常和非定常流动的基本方程。应用四阶龙格-库塔法对定常流动方程进行求解,得到定常流动时导流板上液带的分布规律;应用MacCormack数值离散方法,对非定常流动方程进行求解,得到了不同时刻导流板上液带的分布规律及液带恢复稳定所需的时间。计算结果为板式贮箱的设计提供了数值依据,奠定了板式贮箱的设计基础。     

基于微粒群算法的复合控制逻辑参数优化方法

针对复合控制中采用PSR调制器控制发动机开关机的控制逻辑参数选择问题,基于微粒群算法提出了一种控制逻辑参数优化方法。该方法以提高复合控制性能为目标,将复合控制的控制逻辑参数选择问题转化为对以复合控制性能为指标的多目标优化问题。在此基础上,将微粒群算法应用于该优化问题的求解,提出了一种基于微粒群算法的PSR调制型复合控制逻辑参数优化方法,并设计了算法流程图。仿真结果表明,采用该设计方法对参数优化后,复合控制总体性能有明显提升。