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        在軌激勵(lì)作用下低溫推進(jìn)劑動(dòng)力學(xué)行為仿真研究

        2021-06-07 01:53:08王嬌嬌黃曉寧厲彥忠
        真空與低溫 2021年3期
        關(guān)鍵詞:液位界面

        嚴(yán) 天 ,王 磊 ,2*,王嬌嬌 ,黃曉寧 ,馬 原 ,2,厲彥忠 ,2

        (1.西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系,西安 710049;2.航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100028)

        0 引言

        在我國(guó)未來(lái)航天戰(zhàn)略布局中,月球探測(cè)及其他深空探測(cè)將成為主要攻關(guān)方向[1]。深空探測(cè)任務(wù)的順利開(kāi)展要求火箭具備長(zhǎng)時(shí)間在軌運(yùn)行及變軌能力。低溫液氫、液氧推進(jìn)劑具有高比沖、無(wú)毒無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),將在探測(cè)中扮演重要角色。已有研究指出[2],低溫推進(jìn)劑長(zhǎng)期在軌存儲(chǔ)與管理技術(shù)是未來(lái)航天任務(wù)發(fā)展的重要支撐技術(shù)之一。與常重力不同,在軌重力影響變?nèi)鯐r(shí)涉及多種弱力的綜合作用,如氣液黏性力、液體表面相對(duì)增強(qiáng)的張力等。因此在推進(jìn)劑管理中,必須考慮低溫推進(jìn)劑在軌時(shí)的運(yùn)行特性及規(guī)律。在軌期間,飛行器須完成的多次變軌、姿態(tài)調(diào)整和氣液分離過(guò)程,表征為多種激勵(lì)形式,包括軸向變過(guò)載、側(cè)向激勵(lì)、慢旋等。如不對(duì)推進(jìn)劑行為加以控制,將導(dǎo)致貯箱底部管路口暴露,氣體進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī),對(duì)飛行器的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。同時(shí)箱內(nèi)液體晃動(dòng)和氣液相分布紊亂也不利于姿軌控制。因此,有必要對(duì)在軌狀態(tài)下推進(jìn)劑受激勵(lì)后的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析研究,掌握其規(guī)律,從而為推進(jìn)劑管理設(shè)計(jì)及安全防護(hù)提供理論支撐。

        對(duì)于推進(jìn)劑晃動(dòng)問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等不同方法開(kāi)展了相關(guān)研究。理論研究領(lǐng)域,Abramson[3]和Dodge[4]提出了用單擺和彈簧振子兩種等效力學(xué)模型來(lái)分析容器內(nèi)的流體晃動(dòng)特征,并通過(guò)數(shù)學(xué)方法分析預(yù)測(cè)了流體動(dòng)力學(xué)行為。在動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析方面,Himeno等[5]、Aoki等[6]、Yang等[7]和Beckman等[8]通過(guò)仿真方法證實(shí)了常重力下?lián)醢鍖?duì)流體晃動(dòng)具有抑制作用。Godderidge等[9]比較了實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果的壓力峰值,建議采用非均勻模型模擬劇烈晃動(dòng)。Cheng等[10]提供了一種簡(jiǎn)化方法用于計(jì)算含擋板貯箱的動(dòng)壓特性。Shekari等[11]通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn),擋板高度、隔振基礎(chǔ)的剛度等參數(shù)對(duì)最大流體動(dòng)壓和液體振動(dòng)受力等有顯著影響。Kargbo等[12]通過(guò)數(shù)值建模研究了分層晃動(dòng)波特性,并按時(shí)間序列分別對(duì)界面下層和上層自由表面的液體晃動(dòng)進(jìn)行了快速傅里葉變換光譜分析,獲得了流體層的能量和頻率。Weidman[13]通過(guò)二維晃動(dòng)特性模擬,研究了晃動(dòng)頻率隨液體深度的變化規(guī)律。對(duì)推進(jìn)劑晃動(dòng)的熱力學(xué)行為,也有學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究,Zuo等[14]關(guān)注了晃動(dòng)過(guò)程中擋板對(duì)低溫流體自增壓及熱分層的影響。Liu等[15-16]建立了一種非絕熱氧箱模型,使用動(dòng)網(wǎng)格捕捉氣液界面運(yùn)動(dòng),研究了液體初始溫度、振蕩幅度對(duì)貯箱壓力分布、振蕩力矩和界面動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)研究方面,Konopka等[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了一種與擋板等效的主動(dòng)控制算法的有效性。Vairamani等[18]實(shí)驗(yàn)研究了磁場(chǎng)作用下半剛性結(jié)構(gòu)膜對(duì)晃動(dòng)的抑制效果。Pérez 等[19]、Himeno 等[5]、Aoki等[6]、Stephens 等[20]和Pridgen等[21]也開(kāi)展了涉及推進(jìn)劑晃動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究,揭示了常重力下激勵(lì)、液位高度及擋板參數(shù)對(duì)晃動(dòng)過(guò)程的影響。目前對(duì)流體在外加激勵(lì)下的研究主要針對(duì)常重力或大過(guò)載環(huán)境開(kāi)展,對(duì)空間微重力下流體在外加激勵(lì)下行為的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)不足。在實(shí)驗(yàn)研究方面,難以獲得同時(shí)具備較長(zhǎng)時(shí)間和較低加速度的微重力環(huán)境[22],對(duì)激勵(lì)發(fā)生時(shí)液面失穩(wěn)乃至傾覆的事故,也鮮有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐。

        本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件FLOW-3D,以某型全尺寸Cassini等[23]低溫貯箱為對(duì)象,構(gòu)建可預(yù)測(cè)低溫貯箱空間多種激勵(lì)條件下流體行為的仿真模型。數(shù)值仿真空間微重力下初始傾斜界面、側(cè)向正弦波、慢旋激勵(lì)下箱內(nèi)兩相流體的運(yùn)動(dòng)特性,系統(tǒng)揭示微重力條件對(duì)流體行為演化規(guī)律的影響,并考核箱內(nèi)設(shè)置防晃隔板對(duì)流體達(dá)到新平衡的作用效果。本文研究有助于理解空間低重力下低溫貯箱內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為低溫上面級(jí)控制方案的設(shè)置、時(shí)序的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

        1 模型建立

        1.1 物理模型

        圖1展示的貯箱由一個(gè)直徑為D,半徑為R0,高度為h2的圓柱以及分別位于圓柱頂部和底部,高度為h1的橢球形封頭組成。具體參數(shù)如表1所列。圖1坐標(biāo)系原點(diǎn)取為貯箱底部最低一點(diǎn)O,xyz軸向如圖所示。液體充灌率為0.95,對(duì)應(yīng)液位高度為H。箱內(nèi)裝有6組環(huán)形擋板,間隙為d。擋板用于抑制上升階段液體的過(guò)量防晃。取擋板寬度為0.1D[5-6]。貯箱封頭底部設(shè)有十字交叉擋板,用于防止底部液體塌陷。此外,圖1展示了自由界面傾斜所產(chǎn)生的晃動(dòng),徑向激勵(lì)(文中將其簡(jiǎn)化為正弦函數(shù)),沿軸向的慢旋激勵(lì)(文中將其簡(jiǎn)化為恒定角速度)的作用方向。圖中標(biāo)星號(hào)的位置坐標(biāo)為(1.9 m,1.9 m,3.4 m),用于監(jiān)測(cè)壓力的變化。

        表1 貯箱參數(shù)Tab.1 The parameters of tank

        圖1 貯箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of tank

        1.2 CFD模型

        貯箱模型及網(wǎng)格如圖2所示。在FLOW-3D中,先建立方形固體框架,再在中間挖出與貯箱等體積的空槽,通過(guò)對(duì)空槽的不同區(qū)域設(shè)置氣液相,并導(dǎo)入擋板等固體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)建模。貯箱內(nèi)所有的流體區(qū)域均被劃分為尺寸一致的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。圖中,深藍(lán)色區(qū)域代表貯箱,內(nèi)含流體區(qū)和擋板,由于兩部分固體結(jié)構(gòu)相互內(nèi)切,圖2(a)中模型只顯示外側(cè)箱壁,具體結(jié)構(gòu)如圖2(b)、(c)所示。

        圖2 網(wǎng)格模型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The model of mesh and the internal structure

        模型設(shè)置如表2所列。其中,采用RNG k-ε湍流模型,以準(zhǔn)確描述近壁區(qū)的強(qiáng)剪切效應(yīng)。在軌期間,為了實(shí)現(xiàn)氣液相分離,滿足供液與排氣的需求,通常采用正推沉底發(fā)動(dòng)機(jī)提供小過(guò)載正推,所產(chǎn)生的加速度約為10-3g0。火箭升空期間,不可避免地存在振動(dòng)而引起箱內(nèi)氣液相晃動(dòng),當(dāng)火箭入軌由大過(guò)載瞬變?yōu)槲⒅亓?,升空階段的界面晃動(dòng)可能對(duì)后期的兩相演化產(chǎn)生影響。為此,本文將其簡(jiǎn)化為界面初始傾角機(jī)制,設(shè)置相界面與水平面夾角為θ,當(dāng)不考慮該擾動(dòng)作用時(shí),θ=0°??臻g低溫貯箱常采用多層絕熱(MLI)作為絕熱手段,對(duì)應(yīng)的壁面漏熱在1 W/m2量級(jí),在該漏熱條件下,本文研究對(duì)象所產(chǎn)生的流體溫升僅有3.3×10-6K,故可忽略壁面漏熱影響。

        2 模型校驗(yàn)

        2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性校驗(yàn)

        依照表2中參數(shù)設(shè)置,以液面傾斜4°為初始條件,對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,結(jié)果如圖3所示。將網(wǎng)格數(shù)由5萬(wàn)逐漸增加至45萬(wàn),對(duì)應(yīng)網(wǎng)格尺寸從0.1 m減小至0.045 m,并與達(dá)平衡后氣枕中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力進(jìn)行比較。由圖可見(jiàn),網(wǎng)格數(shù)到30萬(wàn)后計(jì)算結(jié)果達(dá)到穩(wěn)定。為了確保計(jì)算精度,以41萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)模型開(kāi)展后續(xù)的仿真計(jì)算。

        表2 模型及初始參數(shù)設(shè)置Tab.2 The set of model and initial parameters

        圖3 網(wǎng)格數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響曲線Tab.3 The effect of mesh on the simulation results

        2.2 CFD模型校驗(yàn)

        采用文獻(xiàn)[5]報(bào)道的晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)校核本文所構(gòu)建的CFD模型。該實(shí)驗(yàn)以水為工質(zhì),在常重力下展開(kāi),施加激勵(lì)如圖4所示。貯箱沿軸線(Z方向)受常重力加速度作用,沿徑向(X方向)受外部正弦波激勵(lì)作用,初始相位角為-180°,最大振幅為12 m;頻率為1.47 Hz,振幅為5.32 m。過(guò)載加速度a與振幅A、頻率ω的關(guān)系如式(1)所示:

        圖4 施加激勵(lì)的參數(shù)曲線Fig.4 The parameters of excitation

        式中:t為時(shí)間;φ為相位角。

        仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖5所示??梢钥闯?,受激勵(lì)后,實(shí)驗(yàn)貯箱和模擬貯箱內(nèi)流體呈現(xiàn)相似行為,晃動(dòng)的幅度和流體翻轉(zhuǎn)、破碎等行為均相近,證實(shí)本文所構(gòu)建的模型能夠較精確地捕捉氣液相界面的分布及動(dòng)態(tài)規(guī)律,證明了該模型對(duì)激勵(lì)工況下流體運(yùn)動(dòng)仿真的準(zhǔn)確性。

        圖5 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.5 Comparison of simulation results and experimental results

        3 仿真結(jié)果與分析

        3.1 傾斜液位下的晃動(dòng)特性

        為衡量晃動(dòng)的劇烈程度,本文取Z軸質(zhì)心位移開(kāi)展特性研究,質(zhì)心由式(2)得到。定義液氧全部位于貯箱頂部與液氧全部位于底部對(duì)應(yīng)的質(zhì)心差為所允許的最大晃動(dòng)幅度,為15.0 cm。本文以實(shí)際的質(zhì)心變化范圍相較于最大幅值的比值進(jìn)行分析。

        式中:z為質(zhì)心垂直方向坐標(biāo),m;Ω為體積,m3;ρ為流體密度,kg·m-3。

        圖6(a)、(b)、(c)分別展示了10-3g0下液氧初始傾斜角度θ分別為1°、3°、5°時(shí)的質(zhì)心位移演化曲線。其中,橫坐標(biāo)為計(jì)算時(shí)間100 s,縱坐標(biāo)為有無(wú)擋板時(shí)質(zhì)心晃動(dòng)幅度占最大值的百分比。結(jié)果表明,在液位恢復(fù)穩(wěn)定的過(guò)程中,質(zhì)心做振幅衰減的周期性波動(dòng),并逐漸接近平衡。這是因?yàn)樵谖⒅亓ο拢蝿?dòng)時(shí)產(chǎn)生的湍流黏性耗散發(fā)揮作用,在分子黏性作用下動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能,液面逐漸靜止,趨于水平。

        圖6 10-3g0下不同液面傾角下防晃效果對(duì)比曲線Fig.6 Comparison of anti-slosh effects under different liquid inclinations under 10-3g0

        實(shí)際過(guò)程中,氣液界面晃動(dòng)自初始狀態(tài)到完全穩(wěn)定耗時(shí)較長(zhǎng)。為便于分析,本文以質(zhì)心晃動(dòng)幅值5×10-3cm(約占最大幅值的0.033%)作為達(dá)到穩(wěn)定的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。取達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)波峰對(duì)應(yīng)時(shí)間作為穩(wěn)定的時(shí)間。對(duì)比發(fā)現(xiàn),當(dāng)初始液位傾角較小時(shí)(θ=1°與θ=3°),箱內(nèi)擋板對(duì)相界面晃動(dòng)的抑制作用可忽略,而當(dāng)θ=5°時(shí),擋板在微重力下會(huì)加速液面從傾斜到水平的過(guò)渡速度,達(dá)到平衡的時(shí)間從77 s降到66 s,縮短了14.3%。此外,θ=1°工況下氣液界面的晃動(dòng)處于較低水平,質(zhì)心近似呈現(xiàn)等幅振蕩;θ=3°工況下晃動(dòng)幅值可見(jiàn)明顯的衰減;而在θ=5°工況下晃動(dòng)幅度大幅降低的同時(shí),防晃隔板的作用凸顯。對(duì)比結(jié)果表明,箱內(nèi)氣液相分布可在流體黏性耗散與防晃隔板兩種作用下達(dá)到新平衡。當(dāng)初始?xì)庖航缑鎯A角較大時(shí),晃動(dòng)引起的慣性沖擊也相對(duì)較大,防晃隔板可有效抑制晃動(dòng)幅值,加速其平復(fù)速率;而當(dāng)初始傾角較小時(shí),慣性沖擊力作用微弱,流體主要在黏性力作用下達(dá)到新的平衡,故防晃隔板作用微弱。

        取液面初始傾角 5°,分別計(jì)算 10-3g0、10-4g0、10-5g0微重力工況下有擋板貯箱內(nèi)的晃動(dòng)特性,結(jié)果如圖7所示??梢钥闯?,隨著重力水平的降低,箱內(nèi)流體晃動(dòng)周期顯著延長(zhǎng),且所能達(dá)到的最大質(zhì)心波動(dòng)幅值也有所降低。重力越小,晃動(dòng)周期越長(zhǎng),黏性耗散作用對(duì)晃動(dòng)的抑制效果相應(yīng)減小,故達(dá)到新的平衡位置需要更長(zhǎng)時(shí)間。

        圖7 不同重力環(huán)境下液位傾斜后質(zhì)心演化曲線Fig.7 Evolution curve of centroid with liquid inclinations under different gravity environments

        3.2 小過(guò)載側(cè)向激勵(lì)下的防晃特性

        上面級(jí)運(yùn)行時(shí),燃料系統(tǒng)可能受到來(lái)自貯箱側(cè)向的激勵(lì),對(duì)箱內(nèi)的流體行為產(chǎn)生影響。為研究該激勵(lì)的特性,設(shè)激勵(lì)為作用于Y軸方向,頻率為0.144 Hz的徑向簡(jiǎn)諧波。參考以往研究[24-26],簡(jiǎn)諧激勵(lì)的振幅一般取貯箱直徑的0.05~0.4倍。分別研究振幅為0.1 m、0.2 m、0.3 m的對(duì)應(yīng)情況。10-3g0環(huán)境下,2.6 m、3.2 m液氧液位工況對(duì)應(yīng)的質(zhì)心演化規(guī)律如圖8(a)、(b)所示。

        圖8 微重力下不同液位不同徑向正弦激勵(lì)防晃效果對(duì)比曲線Fig.8 Comparison of anti-slosh effects of different liquid levels and different lateral sinusoidal excitations under microgravity

        由圖8可知:(1)激勵(lì)振幅越大,質(zhì)心向上偏移的量越大,晃動(dòng)越劇烈。圖中展示的時(shí)長(zhǎng)約為一個(gè)周期,按設(shè)想質(zhì)心曲線應(yīng)呈往復(fù)趨勢(shì),但由于液體質(zhì)量很大,慣性也很大,受激勵(lì)后將立即向初始方向運(yùn)動(dòng),不易向反方向運(yùn)動(dòng),因此質(zhì)心持續(xù)升高。而且激勵(lì)波的能量與振幅的平方成正比。振幅越大,波的能量越高,傳遞給推進(jìn)劑的能量越高,轉(zhuǎn)化的位勢(shì)能越大,質(zhì)心位置也越高。(2)比較圖8(a)、(b),發(fā)現(xiàn)擋板效果隨液位不同呈明顯差異。這是因?yàn)?,?dāng)液位低于擋板時(shí),液體的速度可分為兩部分,一部分平行于擋板表面,使其沿激勵(lì)作用方向運(yùn)動(dòng),但不引起Z軸質(zhì)心變化;另一部分垂直于擋板表面,使其做軸向運(yùn)動(dòng)。結(jié)合無(wú)擋板時(shí)液體質(zhì)心運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),垂直方向的速度分量所占比例較大。在發(fā)生向上的位移過(guò)程中,流體運(yùn)動(dòng)被防晃板阻擋,故圖(a)中擋板效果顯著。當(dāng)振幅為0.3 m時(shí),可抑制質(zhì)心偏移量達(dá)到2.6 cm;當(dāng)液位高于擋板時(shí),上部的液體不受擋板約束,運(yùn)動(dòng)隨意性較大,擋板對(duì)該部分流體幾乎不起作用,故圖(b)中抑制效果微弱,振幅為0.3 m時(shí),質(zhì)心偏移最大僅為0.3 cm。

        為衡量擋板防晃效率,定義擋板效率為η,該值越大,表明擋板防晃效果越好。

        擋板效率隨液位變化如圖9所示,該圖表明,當(dāng)液位低于擋板最高位置時(shí),擋板能發(fā)揮良好效果,效率較高。防晃效率與高度呈近似線性關(guān)系,重力越大,下降速率越快。10-3g0微重力下?lián)醢逍是€的降低速率比常重力更平緩,這意味著在半滿箱或更高液位時(shí),擋板在軌階段仍能發(fā)揮一定的防晃作用。

        圖9 不同重力環(huán)境下?lián)醢宸阑巫饔眯ЧS液位變化對(duì)比曲線Fig.9 Comparison curve of the baffle anti-slosh effect of different liquid levels under variablet gravity

        圖10展示了圖8(b)計(jì)算周期內(nèi)貯箱壓力及氣液相分布。貯箱內(nèi)空白空間為氣枕區(qū)。液體顏色代表壓力水平,液體壓力由藍(lán)至紅遞增。由圖可知,在小過(guò)載下,貯箱內(nèi)先出現(xiàn)壓力分層,壓力與液位深度成正比,底部液壓最大;之后,激勵(lì)傳來(lái),氣枕沿著壁被傳送。不難推測(cè),若以此趨勢(shì)繼續(xù)晃動(dòng),或振幅加大,氣枕將被傳送至底部輸液管口,造成輸液管含氣,再被輸至發(fā)動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生不利影響。因此在實(shí)際微重力工況下,應(yīng)避免徑向激勵(lì)所產(chǎn)生的過(guò)量氣液位置偏移。

        圖10 振幅為0.2 m時(shí)不同時(shí)刻貯箱壓力的分布對(duì)比圖Fig.10 Comparison of the distribution of tank pressure at different times when the amplitude is 0.2 m

        3.3 空間慢旋下的防晃特性

        為研究擋板對(duì)液體慢旋狀態(tài)的影響,將自旋角速度分別設(shè)置為0.1 rad/s、0.3 rad/s、0.5 rad/s,獲得10-3g0時(shí)液氧達(dá)到穩(wěn)態(tài)的氣液相界面分布,如圖11所示。隨著角速度的增大,液面內(nèi)凹程度加深,壓力分布趨于均勻,中央氣體區(qū)呈近錐形,錐的高度逐漸增大,底圓直徑減小。這是由于氣液兩相間存在較大的密度差,旋轉(zhuǎn)時(shí)液相受慣性離心力更大,會(huì)被甩離軸心更遠(yuǎn),但受貯箱壁阻擋,表現(xiàn)為液位上升。當(dāng)角速度大到一定程度,不難想象,氣錐將與底部相接。

        圖11 貯箱軸向慢旋時(shí)的氣液相分布對(duì)比圖Fig.11 Comparison of gas and liquid phase distribution of tank during slow axial rotation

        質(zhì)心演變曲線如圖12所示。圖(a)中注明了貯箱內(nèi)質(zhì)心平衡位置。0.1 rad/s、0.3 rad/s工況的平衡位置相差0.65 cm,0.3 rad/s、0.5 rad/s工況的平衡位置相差1 cm。從達(dá)到平衡的時(shí)間上看,角速度越大,質(zhì)心波動(dòng)越大,達(dá)到平衡的時(shí)間越長(zhǎng)。0.5 rad/s時(shí)擋板的效果對(duì)比如圖12(b)所示,從質(zhì)心波動(dòng)幅度判斷,有無(wú)擋板差異很小,即擋板使貯箱液體被抬高,質(zhì)心位置更高。但擋板存在與否幾乎不影響流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定建立平衡的時(shí)間。這是因?yàn)閾醢逯饕獙?duì)流體沿Z方向的位移起抑制作用,而該情況下流體受徑向的離心力為主,速度方向也與擋板作用平面平行,故防晃作用微弱。

        圖12 流體質(zhì)心演變曲線及防晃效果對(duì)比曲線Fig.12 Evolution curve of fluid centroid and comparison of anti-slosh effect

        綜上,沿軸線的角速度有利于貯箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速氣液分離,而旋轉(zhuǎn)引起的尖細(xì)氣錐有可能接觸箱底,對(duì)氣體進(jìn)入輸液管造成不利影響。因此有必要根據(jù)貯箱含氣率、分離完成要求等指標(biāo)設(shè)計(jì)相應(yīng)角速度。

        3.4 防晃擋板對(duì)不同推進(jìn)劑貯箱流體晃動(dòng)的影響

        上述結(jié)果基于液氧工質(zhì)開(kāi)展。而實(shí)際應(yīng)用中,液氫/液氧往往成對(duì)出現(xiàn)。氫的密度、黏性力均比氧更小,因此,在地面激勵(lì)下,氫比氧需要更長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間。在微重力下,重力的影響被削弱,為研究氫氧行為的差異性,用液氫替代液氧開(kāi)展仿真研究,并比較兩種工質(zhì)在不同激勵(lì)下的規(guī)律差異。

        當(dāng)液位傾斜時(shí),3.1節(jié)結(jié)果已表明,工質(zhì)自由振蕩具有明顯的周期性。本文Cassini貯箱內(nèi)液體自由振蕩的周期由式(4)[19]計(jì)算:

        式中各符號(hào)意義見(jiàn)1.1節(jié),R為貯箱半徑。設(shè)θ=4°,計(jì)算氫氧工質(zhì)的振蕩周期,為直觀觀察規(guī)律,取周期對(duì)數(shù)值為縱坐標(biāo),重力對(duì)數(shù)值為橫坐標(biāo),作圖如圖13所示,紅色虛線為氫氧振蕩趨勢(shì)線。

        圖13 液位傾斜時(shí)氫、氧晃動(dòng)周期對(duì)比曲線Fig.13 Comparison of hydrogen and oxygen slosh periods with liquid inclination

        由圖可知,在本文考慮的重力范圍內(nèi),氫氧周期十分相近,但與理論計(jì)算值有一定差距。這是由于理論計(jì)算公式中未考慮擋板的存在,故當(dāng)把理論公式應(yīng)用于文中貯箱時(shí),應(yīng)加以修正。由圖中紅色虛線可得到重力范圍[10-5g0,10-1g0]內(nèi)的簡(jiǎn)化關(guān)系式如下:

        經(jīng)校驗(yàn),該式誤差不超過(guò)3.38%。

        徑向激勵(lì)下流體類型對(duì)有擋板貯箱的影響如圖14所示,貯箱初始液位為3.2 m。圖中氫氧行為呈現(xiàn)較大差異。氫的振蕩幅度為6.5 cm,占最大允許值的43.3%,氧為4.0 cm,占最大允許值的16.0%。前面結(jié)果已表明,液位高于擋板時(shí),液體晃動(dòng)抑制效果較弱,結(jié)果表明,由于物性差異,氫的運(yùn)動(dòng)范圍遠(yuǎn)大于氧。因此,對(duì)于徑向激勵(lì)工況,防晃效果與推進(jìn)劑類型相關(guān),應(yīng)優(yōu)先關(guān)注液氫的防晃,如加高氫箱內(nèi)的擋板高度等。

        圖14 徑向正弦激勵(lì)下氫、氧質(zhì)心演化對(duì)比曲線Fig.14 Comparison of the evolution of hydrogen and oxygen centroids under lateral sinusoidal excitation

        在有擋板貯箱慢旋情況下,氫、氧兩流體行為如圖15所示。從質(zhì)心演化曲線看,氫氧平衡位置幾乎等高,相較于貯箱尺寸,差異可忽略不計(jì)。因此對(duì)于慢旋工況,可不考慮氫氧箱內(nèi)流體行為的差異。

        圖15 慢旋下氫、氧質(zhì)心演化對(duì)比曲線Fig.15 Comparison of the evolution of hydrogen and oxygen centroids under slow rotation

        4 結(jié)論

        本文采用CFD方法,就貯箱在空間中受多種激勵(lì)后的低溫推進(jìn)劑流體運(yùn)動(dòng)特性開(kāi)展了仿真研究,包括初始液位傾斜、徑正弦波、慢旋激勵(lì)等工況,并討論了防晃擋板的作用,結(jié)論如下:

        (1)防晃擋板的作用效果受初始液位傾角大小影響,當(dāng)傾角較小時(shí),由于流體晃動(dòng)的慣性沖擊較低,防晃擋板未見(jiàn)明顯的作用;而當(dāng)初始傾角較高時(shí),擋板可使相界面加速恢復(fù)穩(wěn)定。當(dāng)過(guò)載從常重力瞬變?yōu)槲⒅亓螅瑑A斜液面達(dá)到動(dòng)力平衡耗時(shí)約80 s。

        (2)本文用有無(wú)擋板時(shí)流體質(zhì)心變化量的比值來(lái)描述流體的晃動(dòng)演化規(guī)律。貯箱經(jīng)歷徑向激勵(lì)后,若液位處于擋板附近高度,則常、微重力下防晃擋板均能抑制晃動(dòng),且效果與液位近似成線性關(guān)系。液位越低,防晃效果越佳。同一激勵(lì)作用下,2.6 m液位工況時(shí)抑制的幅度約為2.6 cm,而3.2 m液位僅對(duì)應(yīng)0.3 cm。

        (3)箱內(nèi)流體在徑向激勵(lì)作用后的晃動(dòng)特性與其類型相關(guān)。同一激勵(lì)下,氫的質(zhì)心晃動(dòng)范圍可達(dá)6.5 cm,占最大允許值的43.3%,而氧的范圍為4.0 cm,僅占16.0%。對(duì)初始液位傾斜與慢旋激勵(lì),流體類型對(duì)晃動(dòng)演化的影響可忽略。

        (4)微重力下,液體晃動(dòng)幅度較大、慢旋速度較高均有可能造成貯箱底部暴露于氣枕,因此必須有效控制。應(yīng)根據(jù)貯箱含氣率、分離完成要求等指標(biāo)設(shè)計(jì)相應(yīng)角速度。

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