板式贮箱内在轨流体传输和界面现象的数值模拟和实验研究

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液体推进剂贮箱作为航天器推进系统的重要组成部分,其主要功能是为航天器提供不夹气的推进剂。在微重力环境下,表面张力效应占主要地位,液体的性质与常重力下明显不同,这对贮箱内液体的传输和重定位提出了新的挑战。因此研究高效、简单的液体推进剂贮箱具有重要意义。  对于航天器发动机点火造成的液体重定位问题,利用国家微重力实验室百米落塔设施对一种球型板式贮箱缩比模型进行了微重力实验,研究了液体在加速度方向沉底情况下的重定位过程。分别对正向、反向和侧向加速度下不同充液率时液体重定位过程进行了实验研究,得到了重定位过程中液体位置的变化,重定位完成后稳定的气液平衡界面以及一系列的重定位时间。我们发现液体重定位完成后,当充液率大于2%时,液体在加速度方向明显沉降。因此在Bond数大于2.5情况下,应该在气口位置安装导流板将液体输送到液口,在蓄液叶片靠近支柱处打通孔,加大液体在不同叶片间的流通,从而减少重定位时间。  对于胶囊型板式贮箱内液体传输问题,利用Flow3D软件对具有平行导流板贮箱内的毛细流动进行仿真分析。当充液率为15%时,将落塔实验结果和仿真结果进行了对比,验证了整个仿真程序的可行性。通过对比不同时刻导流板上液体位置,研究不同充液率、不同导流板数量和不同间隙对导流板传输性能的影响。改变导流板结构,比较不同结构下前缘爬升速度和某个固定截面以下的液量,分析导流板结构参数对传输性能的影响,对导流板优化设计提出几点建议。
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