微重力環(huán)境下不對稱內(nèi)角流道過流穩(wěn)定性研究.pdf

1、航天器在軌加注技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對于提高航天器機(jī)動能力、延長航天器壽命和適應(yīng)多樣化任務(wù)需求具有重要意義。空間液體管理是實(shí)現(xiàn)航天器在軌加注的重要技術(shù)之一。微重力環(huán)境下，以表面張力為主要作用力的液體流動有許多區(qū)別于常重力環(huán)境下的特性，了解和掌握微重力環(huán)境下液體推進(jìn)劑的流動規(guī)律，是確保推進(jìn)劑在軌傳輸?shù)靡皂樌M(jìn)行的前提和基礎(chǔ)。當(dāng)從貯箱內(nèi)排出推進(jìn)劑時，為保持貯箱內(nèi)推進(jìn)劑處于氣液分離的狀態(tài)，排液速率存在最大值限制。若排液速率超過臨界值，將由于毛細(xì)壓力

2、不足以平衡界面上的氣液壓差而導(dǎo)致液面失穩(wěn)，氣體卷入推進(jìn)劑中，致使推進(jìn)劑傳輸失敗，這就是推進(jìn)劑排液過程中存在的過流穩(wěn)定性問題。不對稱內(nèi)角流道作為一種應(yīng)用廣泛的推進(jìn)劑管理裝置，在衛(wèi)星推進(jìn)劑貯箱中具有重要應(yīng)用，但是，目前對于該流道過流穩(wěn)定性問題的研究還寥寥無幾。
　　本文以航天器在軌加注技術(shù)為背景，以不對稱內(nèi)角流道為研究對象，研究了微重力環(huán)境下衛(wèi)星貯箱在排出推進(jìn)劑過程中的過流穩(wěn)定性問題。建立了不對稱內(nèi)角流道過流穩(wěn)定性模型，基于該模型開展

3、了貯箱內(nèi)推進(jìn)劑管理裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相關(guān)的微重力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作。主要研究內(nèi)容有：
　　(1)不對稱內(nèi)角流道過流穩(wěn)定性建模。通過引入等效內(nèi)角，將不對稱內(nèi)角轉(zhuǎn)化為與其具有相同液面參數(shù)的對稱內(nèi)角來間接求解，克服了不對稱內(nèi)角的幾何復(fù)雜性給建模帶來的困難；分析了微重力環(huán)境下液體在表面張力驅(qū)動下的流動機(jī)理，由動量方程、質(zhì)量守恒方程、Young-Laplace方程出發(fā)，推導(dǎo)得出了一維過流穩(wěn)定性控制方程，通過對該方程的數(shù)值求解，可以解算出液面參

4、數(shù)及臨界流量值；利用Fluent流體仿真軟件，對該理論模型進(jìn)行了數(shù)值仿真驗(yàn)證。
　　(2)不對稱內(nèi)角流道過流穩(wěn)定性特性分析。在不對稱內(nèi)角流道過流穩(wěn)定性模型基礎(chǔ)上，探究了流道長度、寬度、貯箱半徑等幾何因素對于流動穩(wěn)定性的影響；分析了推進(jìn)劑粘性對流動穩(wěn)定性的影響，該工作為后續(xù)導(dǎo)流板的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
　　(3)基于流動穩(wěn)定性的導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诓粚ΨQ內(nèi)角流道一維過流穩(wěn)定性模型及特性分析，以推進(jìn)劑排出過程中的臨界流速最大為優(yōu)

5、化目標(biāo)，以導(dǎo)流板長度、寬度、個數(shù)、貯箱半徑等為設(shè)計(jì)變量，分別對單獨(dú)安裝內(nèi)、外導(dǎo)流板貯箱及兩者結(jié)合形式的貯箱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該工作對工程實(shí)際中的貯箱設(shè)計(jì)具有參考意義。
　　(4)不對稱內(nèi)角流道過流穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。結(jié)合我國中科院力學(xué)所百米落塔的實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)了用于驗(yàn)證不對稱內(nèi)角流道過流穩(wěn)定性的微重力實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。盡管實(shí)驗(yàn)由于裝置加工方面的原因未能如期開展，但該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為后續(xù)開展微重力實(shí)驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　論文綜合應(yīng)