微重力下火箭推进系统液氧贮箱内气泡脱离半径研究

研究微重力下液氧贮箱内气泡脱离半径是运载火箭推进系统推进剂在轨沸腾与换热计算的基础. 与常重力和低重力环境不同, 微重力下Marangoni效应变得突出. 为了求解气泡脱离半径, 构建包含浮力、惯性力、压差力、表面张力、黏性阻力和Marangoni力的气泡动力学模型. 针对现有Marangoni力计算公式适用范围狭窄的问题, 依托数值仿真方法, 拟合得到了更精确的修正因子计算公式, 进而扩充了Marangoni力计算模型的适用范围. 使用运载火箭液氧贮箱常规工作压力0.
3 MPa下的饱和液氧物性参数, 计算得到气泡所受合力随半径的变化关系以及气泡脱离半径随重力的变化关系. 结果表明, 气泡的脱离行为可以由微重力区、过渡区和低重力区三个区域来划分. 微重力区内可以形成厘米级甚至米级的大气泡, 而低重力区内只能形成0.1 mm级的小气泡. 相比之前的模型, 本文模型可以同时适用于三个区, 更全面地揭示了微重力下液氧贮箱内的气泡脱离特性, 可以为液氧贮箱换热特性分析提供理论支撑.