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高比冲、无污染的液氢液氧低温推进剂是未来我国大推力运载火箭的主要燃料，是我国“探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国”的重要能源保障。深入研究加注过程中低温推进剂的传热传质基础问题，有利于低温推进剂的安全、稳定、高效加注，更有利于我国实现大国航天梦。
本文主要研究振动、微重力或超临界等特殊条件下低温推进剂加注过程中低温流体的流动传热问题，包括箭外加注过程中常重力条件下振动管路中低温推进剂的流动沸腾特性、在轨加注过程中微重力条件下低温推进剂的流动沸腾特性，以及箭内加注过程中增压气体超临界氦的自然对流传热特性。针对箭外加注过程，构建了振动、流动、传热相耦合的液氢流动沸腾模型，在使用RensselaerPolytechnicInstitute沸腾模型和VOF耦合Level-set方法描述管内液氢流动沸腾的基础上，以用户自定义函数的动网格形式引入简谐振动边界条件，分析讨论了流速、管路振幅与频率对管内液氢流动沸腾特性、压降特性以及流动状态的影响规律；针对在轨加注过程，建立了液氢气泡脱离模型和考虑气相温升的流动沸腾模型，从微观上单个气泡的脱离特性，宏观上流动沸腾传热特性、压降特性以及临界热流密度状态三个方面，深入分析了重力因素对液氢流动沸腾的影响规律，揭示了其对气泡脱离、流动沸腾传热和临界热流密度状态的作用机制；针对箭内加注过程，搭建低温超临界氦有限空间自然对流传热实验平台，分析了不同初始压力及加热功率下球腔内增压气体自然对流时的动态温度特性和压力特性，并采用经该实验验证的低温超临界氦自然对流模型，仿真研究了不同压力工况下球腔内低温超临界氦的自然对流传热特性。引入密度比作为自变量参数，提出了较高精度的低温超临界氦自然对流传热关联式。
基于上述的研究，本文的主要结论如下：
(1)振动条件下液氢管内流动沸腾状态发生巨大改变。管路振动明显增强了管壁与管内液氢之间的传热，使得管内压降出现剧烈波动，并且破坏了流动沸腾稳定的气液相界面；相对传热系数和压降呈现出与振动速度相对应的周期性波动，其值与相对速度大小呈正相关性，在低流速下振动所引起的传热增强更加明显。
(2)微重力下液氢流动沸腾流态呈现出特殊规律使得传热恶化。微重力下，气泡脱离直径增大，同时低导热率的氢气气泡附着在加热壁面上抑制了传热，也降低了流阻；而在高流速下，惯性力成为气泡脱离的主要作用力，此时热流密度随重力加速度的变化很小；
(3)重力加速度是影响临界热流密度状态产生条件及位置的重要因素。微重力下达到临界热流密度状态所需的壁面热流密度更小，临界热流密度点也向管路上游移动，同时临界热流密度点所对应的最大壁温显著提高；微重力下，临界热流密度点的温度随入口过冷度的增加而增加，而常重力下入口过冷度的改变几乎不影响临界热流密度点温度。
(4)球腔内压力的提升有利于增强超临界氦自然对流强度与传热性能。对于超临界氦增压系统，提高球腔内初始压力可显著提高增压效率。同时，通过对有限空间内超临界氦自然对流传热特性的仿真研究，得出有限空间超临界氦自然对流传热强度与球腔内压力之间的正相关关系。最后，拟合修正得到的自然对流传热关联式，可更好的反映低温超临界氦有限空间内自然对流现象。
本文对振动条件下液氢流动沸腾规律的研究，有助于提高航天低温推进剂加注品质，预防加注事故。微重力下液氢流动沸腾的研究，可为设计航天低温推进剂在轨加注系统及优化控制策略提供理论基础；研究获得的球腔内低温超临界氦自然对流传热特性及传热关联式，可为实现高效输出增压提供理论支撑。
本文主要研究振动、微重力或超临界等特殊条件下低温推进剂加注过程中低温流体的流动传热问题，包括箭外加注过程中常重力条件下振动管路中低温推进剂的流动沸腾特性、在轨加注过程中微重力条件下低温推进剂的流动沸腾特性，以及箭内加注过程中增压气体超临界氦的自然对流传热特性。针对箭外加注过程，构建了振动、流动、传热相耦合的液氢流动沸腾模型，在使用RensselaerPolytechnicInstitute沸腾模型和VOF耦合Level-set方法描述管内液氢流动沸腾的基础上，以用户自定义函数的动网格形式引入简谐振动边界条件，分析讨论了流速、管路振幅与频率对管内液氢流动沸腾特性、压降特性以及流动状态的影响规律；针对在轨加注过程，建立了液氢气泡脱离模型和考虑气相温升的流动沸腾模型，从微观上单个气泡的脱离特性，宏观上流动沸腾传热特性、压降特性以及临界热流密度状态三个方面，深入分析了重力因素对液氢流动沸腾的影响规律，揭示了其对气泡脱离、流动沸腾传热和临界热流密度状态的作用机制；针对箭内加注过程，搭建低温超临界氦有限空间自然对流传热实验平台，分析了不同初始压力及加热功率下球腔内增压气体自然对流时的动态温度特性和压力特性，并采用经该实验验证的低温超临界氦自然对流模型，仿真研究了不同压力工况下球腔内低温超临界氦的自然对流传热特性。引入密度比作为自变量参数，提出了较高精度的低温超临界氦自然对流传热关联式。
基于上述的研究，本文的主要结论如下：
(1)振动条件下液氢管内流动沸腾状态发生巨大改变。管路振动明显增强了管壁与管内液氢之间的传热，使得管内压降出现剧烈波动，并且破坏了流动沸腾稳定的气液相界面；相对传热系数和压降呈现出与振动速度相对应的周期性波动，其值与相对速度大小呈正相关性，在低流速下振动所引起的传热增强更加明显。
(2)微重力下液氢流动沸腾流态呈现出特殊规律使得传热恶化。微重力下，气泡脱离直径增大，同时低导热率的氢气气泡附着在加热壁面上抑制了传热，也降低了流阻；而在高流速下，惯性力成为气泡脱离的主要作用力，此时热流密度随重力加速度的变化很小；
(3)重力加速度是影响临界热流密度状态产生条件及位置的重要因素。微重力下达到临界热流密度状态所需的壁面热流密度更小，临界热流密度点也向管路上游移动，同时临界热流密度点所对应的最大壁温显著提高；微重力下，临界热流密度点的温度随入口过冷度的增加而增加，而常重力下入口过冷度的改变几乎不影响临界热流密度点温度。
(4)球腔内压力的提升有利于增强超临界氦自然对流强度与传热性能。对于超临界氦增压系统，提高球腔内初始压力可显著提高增压效率。同时，通过对有限空间内超临界氦自然对流传热特性的仿真研究，得出有限空间超临界氦自然对流传热强度与球腔内压力之间的正相关关系。最后，拟合修正得到的自然对流传热关联式，可更好的反映低温超临界氦有限空间内自然对流现象。
本文对振动条件下液氢流动沸腾规律的研究，有助于提高航天低温推进剂加注品质，预防加注事故。微重力下液氢流动沸腾的研究，可为设计航天低温推进剂在轨加注系统及优化控制策略提供理论基础；研究获得的球腔内低温超临界氦自然对流传热特性及传热关联式，可为实现高效输出增压提供理论支撑。