趙建福，吳 克，徐 侃，寧獻文，鄭紅陽

（1.中國科學(xué)院力學(xué)研究所微重力重點實驗室，北京100190；2.中國空間技術(shù)研究院北京空間飛行器總體設(shè)計部空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京100094；3.中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京100049）

復(fù)雜流道液體真空排放中的氣液兩相流態(tài)模擬實驗

趙建福1，3，吳 克1，3，徐 侃2，寧獻文2，鄭紅陽2

（1.中國科學(xué)院力學(xué)研究所微重力重點實驗室，北京100190；2.中國空間技術(shù)研究院北京空間飛行器總體設(shè)計部空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京100094；3.中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京100049）

針對月球表面部分重力、高真空環(huán)境液體排放需求，按照Bond數(shù)相似準則，采用內(nèi)徑3.5 mm、長350 mm的透明有機玻璃管彎制成具有3個彎頭（彎曲半徑約13.5～17.5 mm）、一端開口的復(fù)雜流道，在地面環(huán)境模擬了月面環(huán)境復(fù)雜管路系統(tǒng)中液體排放過程特征。實驗表明，真空環(huán)境復(fù)雜管道內(nèi)液體排放過程可以劃分為初始狀態(tài)段、快速減壓段、液體排放段、殘液排放段和閃蒸終止段5個階段，各階段特征可用于更為精細的模型構(gòu)建，以及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)驗證與性能預(yù)測。

液體真空排放；氣液兩相流；月球重力；復(fù)雜流道

1 引言

航天器在執(zhí)行任務(wù)期間或任務(wù)結(jié)束返回之前，往往會向外部高真空環(huán)境排放液態(tài)物質(zhì)。液體在排放管口壓力及相應(yīng)的飽和溫度的急劇下降，導(dǎo)致液體快速轉(zhuǎn)變?yōu)楦哌^熱狀態(tài)，進而引發(fā)液體閃蒸，形成復(fù)雜的氣液兩相流動現(xiàn)象，并伴隨有強烈的熱質(zhì)傳遞現(xiàn)象［1?7］。然而，迄今公開文獻中報道的結(jié)果往往關(guān)注于上游壓力驅(qū)動下液體在排放關(guān)口至外的射流形態(tài)及其排放流量變化規(guī)律，對無壓力驅(qū)動時系統(tǒng)依賴自重（尤其是在部分重力或微重力環(huán)境下自重影響被削弱后的）液體真空排放過程的研究尚未見報道。此外，實用管路系統(tǒng)因各種因素制約往往布局復(fù)雜，進一步增加了問題的復(fù)雜程度和系統(tǒng)設(shè)計與測算難度。

本文針對月球表面部分重力、高真空環(huán)境中的熱控流體回路全氟三乙胺液體工質(zhì)的真空排放過程，新設(shè)計了地面模擬觀測實驗，對復(fù)雜管路內(nèi)的氣液兩相流現(xiàn)象開展了模擬實驗觀測和分析，以揭示其流動特征與控制機制，為構(gòu)建和驗證刻劃該現(xiàn)象的精細模型提供實驗依據(jù)，并服務(wù)于相關(guān)應(yīng)用技術(shù)驗證與性能預(yù)測。

2 實驗裝置與實驗流程

針對月球表面環(huán)境液體排放需求，按照Bond數(shù)相似準則［8?10］，采用內(nèi)徑3.5 mm（相應(yīng)的Bond數(shù)約為16）、長350 mm的透明有機玻璃管彎制成具有3個彎頭（彎曲半徑約13.5～17.5 mm）、一端開口的復(fù)雜流道（圖1），用于在地面常重力環(huán)境模擬月球表面復(fù)雜管路系統(tǒng)中液體排放過程特征。流道敞開端口近似垂直向上，以避免實驗開始之前液體的流失。

圖1 地面模擬實驗中使用的復(fù)雜管路照片F(xiàn)ig.1 Photo of the complex pipeline used in the ground simulation experiment

實驗在真空閃蒸實驗臺（圖2，包括真空維持系統(tǒng)及過程控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等）上進行。真空閃蒸實驗臺包括真空維持系統(tǒng)、測試罐及過程控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［4?7，11］。

真空維持系統(tǒng)由真空泵、真空罐、真空球閥、電磁閥以及連接管段等組成，其中真空罐用來模擬空間高真空環(huán)境，容積約1 m3，內(nèi)部壓力采用高精度真空規(guī)管進行監(jiān)測。真空罐通過有內(nèi)支撐軟管連接到真空泵上。真空泵的極限真空度可達6×10－2Pa，抽氣速率8 L/s。實驗開始前，先啟動真空泵將真空罐內(nèi)壓力降到適當(dāng)數(shù)值備用。實驗中真空泵將持續(xù)工作以維持良好真空環(huán)境。

圖2 真空閃蒸實驗臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental facility for liquid flashing in vacuum environment

實驗管道完全置于測試罐內(nèi)。測試罐內(nèi)壓力的變化采用德國BD公司壓阻式不銹鋼壓力傳感器（DMP331）測量，量程為0～0.01 MPa（絕對壓力），響應(yīng)時間小于5 ms，不確定度為0.25%FS。測試罐內(nèi)的介質(zhì)溫度則選用K型熱電偶進行測量，并預(yù)先進行了標定，其不確定度為1.0℃。

過程控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括 DATAQ/DI710數(shù)據(jù)記錄儀、電磁閥驅(qū)動回路、溫度變送器、壓力變送器、真空規(guī)管、AOS/Vitcam CTC高速攝像機及相應(yīng)的照明設(shè)備等。為保證實驗中降壓過程的一致，采用交流電驅(qū)動的大功率電磁閥實現(xiàn)測試罐與真空罐之間的導(dǎo)通。電磁閥啟動信號輸入數(shù)據(jù)記錄儀的同時，也被用來觸發(fā)AOS/Vit?cam CTC高速攝像機，拍攝和記錄管道內(nèi)氣液兩相流形態(tài)，從而保證了實測數(shù)據(jù)與高速攝像機記錄圖像的時序同步。實驗中高速攝像機圖像采集幀率設(shè)為500 fps。實驗盒內(nèi)壓力、管道敞開端附近溫度及電磁閥啟動信號等數(shù)據(jù)采用DATAQ/DI710數(shù)據(jù)記錄儀進行自動采集和存儲，采集頻率為100 Hz，每路數(shù)據(jù)的時間分辨率均為0.03 s。

實驗開始前，首先小心向流道內(nèi)注滿全氟三乙胺液體工質(zhì)，并盡力消除明顯可見的初始氣泡。其次，將復(fù)雜流道連同內(nèi)部液體工質(zhì)一并放入測試罐內(nèi)，封閉測試罐，打開真空罐和實驗盒間的連接管路上的球閥，啟動數(shù)據(jù)記錄儀和高速攝像機。最后，按下電磁閥啟動開關(guān)，使實驗盒內(nèi)壓力快速降低，流道內(nèi)的全氟三乙胺液體發(fā)生閃蒸相變，形成氣液兩相流，并由敞開端流出。

3 復(fù)雜流道液體真空排放中的氣液兩相流態(tài)

圖3顯示了2次實驗中記錄下來的測試罐內(nèi)部壓力與溫度的典型變化，其中，實線和虛線分別對應(yīng)1＃和2＃實驗，箭頭指向相應(yīng)物理量曲線的縱軸坐標。溫度測點在流道出口外且靠下約2 cm的位置，實驗中也觀察到有液體工質(zhì)噴灑出去后沿?zé)犭娕家€流到熱電偶測點處。這樣，熱電偶測出的溫度更多地反映了測試罐內(nèi)環(huán)境氣體或液體噴出后形成的氣液混合物的溫度。

根據(jù)圖3顯示的壓力、溫度變化曲線和視頻慢速回放所展示的實驗現(xiàn)象，真空環(huán)境復(fù)雜管道內(nèi)液體排放的過程可以劃分為以下5個階段：

1）初始狀態(tài)段（常壓、常溫）：對應(yīng)于電磁閥開啟前的靜止階段。受壓力傳感器量程所限，初始壓力（約100 kPa）在圖3中未顯示出。

2）快速減壓段：壓力快速下降至初始溫度對應(yīng)飽和壓力附近，液體過熱，內(nèi)部（尤其密封端口）缺陷處吸附氣體析出、膨脹，輔以過熱液體汽化，氣泡合并、長大，擠壓開口端液面向外移動，但液面尚能保持光滑狀態(tài)。懸于實驗盒內(nèi)的熱電偶測量的盒內(nèi)氣體溫度因氣體膨脹減壓而快速下降。

3）液體排放段：管道開口端附近液面上發(fā)生閃蒸，閃蒸波界面后形成的氣液混合物噴出管口，導(dǎo)致測試罐內(nèi)光線變暗。伴隨著液體破碎與閃蒸，測試罐內(nèi)壓力下降趨勢減緩，甚至略有回升；而沿?zé)犭娕家€下流的殘余液體使得測點溫度基本不變，甚至也略有回升。液體閃蒸主要發(fā)生在開口附近，管路內(nèi)部呈現(xiàn)為環(huán)狀流型。根據(jù)管內(nèi)氣核/團與外界環(huán)境的連通與否，該階段又可分作如下兩個子階段：（1）氣核與外界環(huán)境氣氛不連通的“氣團伸張”子階段；（2）氣核與外界環(huán)境氣氛連通的“氣核拖曳”子階段。在前一子階段中，受封閉端限制，管路內(nèi)的氣團在內(nèi)部液體持續(xù)蒸發(fā)和壓力下降的共同作用下，不斷向開口端伸張，形成具有光滑液氣界面的長氣團，并推動液體排出管道；而在后一子階段中，氣核在開口端與外界環(huán)境氣氛相連通，直接形成氣相逸出通道，在飽和壓力與外界真空環(huán)境壓力之差的驅(qū)動下，低密度的氣相介質(zhì)流速遽增，進而強烈剪切、拖曳著管道壁面附近的環(huán)狀液膜，形成界面劇烈波動的環(huán)狀流型。氣流的剪切與界面的波動也會進一步促進液氣相變，加快工質(zhì)的排放。

4）殘液排放段：主體液量已基本排出管道，閃蒸成為氣體，并被真空罐抽吸出實驗盒，實驗盒內(nèi)部壓力與溫度再次持續(xù)穩(wěn)定下降。此時管道內(nèi)殘存液體（一般出現(xiàn)在較低部位且傾斜向上段，相對于彎管居于外側(cè)壁面）繼續(xù)蒸發(fā)，并被上游蒸發(fā)產(chǎn)生的氣流吹掠形成明顯波狀分層流型。

5）閃蒸終止段：實驗盒內(nèi)壓力與真空罐達到平衡，壓力基本不變，閃蒸停止，盒內(nèi)混合氣體溫度因設(shè)備初始熱容量的影響而迅速回升，最終達到某個略低于初始溫度的數(shù)值（該數(shù)值取決于閃蒸吸熱量與實驗盒總熱容的某種平衡）。

圖3中兩次實驗充液量近似一致（即開口端液面近似相同），壓力變化曲線符合很好，但溫度在以下3處存在明顯不同：（1）第二次實驗初始液體溫度22.4℃，略高于第一次的19.5℃；而閃蒸終止后平衡溫度第二次為16.7℃，也高于第一次的11.0℃；第一、二次實驗前后溫差分別為8.5℃和5.7℃，也略有差異。（2）第二次實驗在排放開始時溫度反向升高，而第一次沒有。根據(jù)圖像回放可以看到，該反向升溫是由敞開端口噴出的過熱液體接觸熱電偶測點引起的。第二次實驗中，封閉管段殘留氣泡較大，快速減壓過程中該氣泡迅速膨脹，將尚未達到閃蒸狀態(tài)的液體擠出管道開口端，并沿?zé)犭娕嫉囊€向下流過溫度測點，引起測量溫度回升。（3）第二次實驗最后階段開始升溫較第一次早，同樣源于早期被擠出的液體，較早噴灑散開，強化了閃蒸過程，并使閃蒸完成時間因此提前。審視壓力曲線，第二次實驗的殘液排放段中的壓力曲線稍稍低于第一次的壓力曲線，其含義與溫度變化曲線一致。

圖4顯示了第一次實驗中快速減壓開始及液體排放過程中管內(nèi)流態(tài)特征。需要說明的是，本實驗系統(tǒng)中Bond數(shù)約為16，低速條件下的氣液兩相流顯然會處于重力依賴區(qū)［8?10］。實驗中確實觀察到氣液兩相流型存在明顯的重力分層及彎管離心分層現(xiàn)象。具體排放過程特征詳述如下：

快速減壓開始，首先觀察到管道封閉端膠泥上氣泡析出和生長，這可能源于充液排氣時插入膠泥中的注射針頭遺留空穴引起的殘留氣體膨脹。在隨后的視頻中可看到該部位上氣泡連續(xù)出現(xiàn)與合并、長大并向下游延伸生長。同時，在敞開端口附近也能看到氣泡析出。通過連續(xù)視頻慢速回放可判斷這些氣泡均產(chǎn)生于管道內(nèi)壁面，與常規(guī)的非均質(zhì)沸騰現(xiàn)象中相應(yīng)氣泡生長過程類似。氣泡長大、脫落并隨液體向下游運動，在原來位置有新氣泡生成。鄰近液氣界面的氣泡與界面合并引起液面破碎和閃蒸的發(fā)生。顯然，管道敞開端口附近的液體閃蒸最初往往源自鄰近液氣界面的氣泡與界面合導(dǎo)致的液面破碎，后續(xù)氣泡的到來則加劇了閃蒸強度。閃蒸一般持續(xù)發(fā)生在近似相同的部位，即閃蒸波界面近似穩(wěn)定不動。

封閉端氣團的擴張形成了尺度遠大于管徑的偏心氣核，其延伸過程排開管內(nèi)液體，將其從敞開端口擠出、閃蒸形成的霧狀氣液混合體，使得圖像變暗、變模糊，并且出口射流的反作用力會導(dǎo)致底部未固定牢固的整個管道略微向右傾倒。流道內(nèi)延伸生長著的氣核使絕大部分管道內(nèi)流態(tài)近似為環(huán)狀流，但與常規(guī)重力環(huán)境和常規(guī)尺寸管路中的氣液兩相環(huán)狀流不同的是，氣團擴張階段的環(huán)狀液氣界面非常光滑、平穩(wěn)，且存在明顯偏心現(xiàn)象，在緊鄰彎管部分尤為明顯。氣核特征還與流動方向有關(guān)，在水平或傾斜上升段，氣核直徑明顯小于管徑，且偏心現(xiàn)象明顯；而在下降段，氣核尺寸接近管徑，并近似對稱分布?？傊?，重力效應(yīng)主要存在于氣團伸張子階段，此時，哪怕中間出現(xiàn)間斷或短氣團（后者在運動過程中會與前后氣核連通、融合），液氣界面形態(tài)總是光滑的，且形成的氣核在重力和彎道離心力作用下明顯呈現(xiàn)出偏心狀。

而在氣核拖曳子階段，氣核直接與環(huán)境氣氛相連，不再受管口液體的封堵，環(huán)境真空對其的劇烈抽吸作用造成氣相流速的急劇增加，進而對環(huán)狀液膜產(chǎn)生強烈的剪切作用，形成液氣界面的劇烈波動。氣核與外部氣氛的連通后形成的液氣界面劇烈波動的環(huán)狀流型呈現(xiàn)為對稱狀，即表現(xiàn)出明顯的重力無關(guān)性。這里，起作用的是氣核流動速度。趙建福［8?9］曾提出在Bond數(shù)準則外，還存在另一個如式（1）所示的修正Froude數(shù)準則，來表示氣相慣性力超越重力作用的重力無關(guān)區(qū)：

由此可以計算出在本文實驗條件下氣液兩相流重力無關(guān)的最小氣流表觀速度約為3 m/s。這與下文觀測數(shù)據(jù)是一致的。

氣核與外部氣氛連通后，從開口端逆向傳播的液氣界面劇烈波動現(xiàn)象在約0.1 s時間內(nèi)即到達管道封閉端，其傳播速度約為3.5 m/s。趙建福［12］研究了氣液兩相流動中聲波傳播速度的變化規(guī)律，指出在氣、液兩相相互作用劇烈但無相變的情形，兩相聲速可降低到am＝（4p/ρL）1/2。在本文實驗條件下全氟三乙胺氣液兩相聲速約6.3 m/s。此外，相變會進一步強化相間耦合作用，會導(dǎo)致氣液兩相聲速的進一步下降［13］。考慮到液氣界面劇烈波動向上游的傳播相對與混合流動為逆向傳播，基于上述數(shù)據(jù)確定出的混合流動速度不小于3 m/s，滿足式（1）確定的重力無關(guān)條件，從而使氣核與外部氣氛的連通后形成的環(huán)狀流型表現(xiàn)出明顯的重力無關(guān)性。

最后，在殘液排放段，前期噴散出管道中的液體在實驗盒內(nèi)閃蒸引起溫度持續(xù)下降，管內(nèi)殘余液體（一般呈附壁液團狀出現(xiàn)在較低部位）閃蒸被抑制，在緩慢蒸發(fā)出的少量氣體驅(qū)動下緩慢波狀前移。此時，測試罐內(nèi)壓力近似恒定，處于閃蒸產(chǎn)生的氣體速率與真空罐抽吸能力準平衡的狀態(tài)；而其溫度的上升則源自測試罐體熱容的影響。

4 結(jié)論

本文在地面常重力環(huán)境實驗?zāi)M了月球表面復(fù)雜管路系統(tǒng)中液體排放過程特征。實驗發(fā)現(xiàn)在所模擬研究情形中，Bond數(shù)約為16，重力效應(yīng)在低速流動時依然存在，而在高速環(huán)狀流或低速下降流動中則弱不可測。

實驗觀測表明，真空環(huán)境復(fù)雜管道內(nèi)液體排放的過程可以劃分為初始狀態(tài)段、快速減壓段、液體排放段、殘液排放段和閃蒸終止段等5個階段，工程上最為關(guān)注的實際上是第2、3階段，決定著排放過程的主要技術(shù)指標。本文觀測結(jié)果可以直接用于相關(guān)設(shè)計驗證及構(gòu)建更為精細的流動模型，服務(wù)于相關(guān)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)與運控管理。

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Simulation Experiment on Two?phase Gas?liquid Flow Pattern in Complex Pipeline during Liquid Discharge in Vacuum

ZHAO Jianfu1，3，WU Ke1，3，XU Kan2，NING Xianwen2，ZHENG Hongyang2
（1.Key Laboratory of Microgravity/CAS，Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.Beijing Key Laboratory of Space Thermal Control Technology，Institute of Spacecraft System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China；3.School of Engineering Science，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

In order to simulate the characteristics of the process of liquid discharge into high vacuum in the lunar gravity on the moon，a special complex pipeline made of a 350 mm?long transparent or?ganic glass tube with 3 elbows was used in this study.In accordance with the similarity criterion of Bond number，the inner diameter of the pipeline was 3.5 mm in the ground simulation experiment，and thus the length?to?diameter ratio was 100.The bending radius of the 3 elbows was in the range of 13.5 mm to 17.5 mm.One end of the pipe was closed，while the other was open to vacuum.Ex?perimental observations showed that the process of liquid discharge into vacuum could be categorized into the initial state，rapid decompression state，liquid discharge state，residual liquid discharging state，and flashing end state.The characteristics of the two?phase gas?liquid flow patterns observed inside the complex pipeline during each stage could be used for precise modeling of the actual process，as well as for the technology validation of the related applications and the performance pre?diction.

liquid drainage into vacuum；two?phase gas?liquid flow；lunar gravity；complex flow channel

TK124；O359+.1

A

1674?5825（2016）06?0727?05

2016?04?27；

2016?11?03

國家自然科學(xué)基金（11472040）

趙建福（1967－），男，博士，研究員，研究方向為微重力多相熱流體動力學(xué)及其空間應(yīng)用。E?mail：jfzhao＠imech.ac.cn