微重力环境下板式表面张力贮箱流体输运过程和界面位形研究

• 作 者: 苏引引
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 板式表面张力贮箱 微重力落塔 界面位形 流体输运 卫星推进剂

表面张力贮箱是世界上使用最为广泛的卫星推进剂贮箱，它利用表面张力进行液体燃料输送和气液分离为发动机或推力器提供不夹气的推进剂。其中板式表面张力贮箱作为第二代表面张力贮箱具有结构简单，加工容易，可靠性高等特点，代表了表面张力贮箱发展的方向。本文对圆柱形内角毛细流动问题进行理论求解，板式贮箱的流体输运过程和界面位形开展实验和数值计算，为航天器流体管理装置的设计提供科学理论指导，探索微重力环境中液体界面控制的方法，为我国板式贮箱最终实现在轨应用打下基础。　　建立了满足Concus-Finn条件的微重力下圆柱形内角毛细流动的控制方程，对容器长度L相对于初始弯液面高度H为无限长的内角流动问题进行求解，获得了近似解析解，并与5cs和10cs硅油为介质的数值结果对比，验证了理论解的正确性。　　基于国家微重力落塔搭建了实验平台，对某型号板式低温贮箱模型正向，侧向和反向加速度下，充液率5％，20％和60％这9种不同工况下的流体输运过程进行实验。得到了除了反向充液率5％和20％的工况外，其余工况贮箱内环液体在出液口都能形成很好的“液封”，针对反向安装，提出了在内环安装导流板来满足设计要求;贮箱进入微重力环境后，内环的液面爬升最高，内球的液体形成一个内凹的液面位形;内环偏心产生的表面张力驱动力引起的爬升是引起内环液面爬升的主要因素。　　基于VOF方法，采用全局六面体结构化网格对20L板式贮箱的静平衡问题，微重力条件下受到水平简谐激励贮箱内液体的晃动问题，卫星变轨过程中受到单向加速度时贮箱内部推进剂界面位形和动力学效应问题进行了数值计算。得到了微重力环境下20L贮箱导流板与贮箱壁面形成的内角表面张力大，液体爬升的速度相对壁面快，验证了导流板具有良好的输运作用;贮箱防晃片使贮箱在受外部水平简谐激励时液体晃动振幅，贮箱受到冲击力和冲击力矩大幅下降;卫星变轨时贮箱受到单向加速度，PMD能有效降低晃动效应，变轨结束后，PMD成功的将贮箱内液体成功汇集在出液口处形成“液封”保证下次变轨的推进剂供给。