深空探测和空间站建设运行等航天任务都对低温推进剂(如液氢、液氧、液态甲烷等)提出了长期在轨贮存的要求。然而,由于太阳热辐射的存在,即使处于真空环境的低温推进剂贮箱外部包覆高性能的多层绝热材料,仍然会有约0.1~1W/m~2量级的漏热进入贮箱,使得低温推进剂汽化从而造成压力升高。当达到贮箱压力许用值时,必须给予排放。喷射棒型热力学排气系统(thermodynamic vent system,TVS)是一种既可以有效控制贮箱压力又可以在相同条件下将低温推进剂损失最小化的新技术手段。揭示热力学排气与压力控制的工作机理,对于低温推进剂长期在轨贮存具有重要意义。文献调研表明部分TVS影响因素(如不同的压力控制策略、非均匀受热等)的作用规律尚未有相关研究报道;针对TVS的理论仿真研究主要是基于热力学流程对系统采用简单平衡态、均相和零维模型,缺乏对贮箱内推进剂的流场和温场等细节的描述研究,特别是在喷射棒作用下的温场和流场变化特性。本文从理论和实验两方面对热力学排气系统及压力控制的工作机理开展了研究,具体研究内容与结论如下:(1)设计和研制了一套工作于室温温区的热力学排气模拟系统。本系统采用的换热喷射装置将两股流体换热与其中一股返回贮箱的流体喷射双重功能耦合为一体。同时系统既可以模拟贮箱均匀漏热,也可以模拟非均匀漏热。对系统进行了保压测试和可重复性测量,结果表明贮箱及管路承压和密封效果良好,可重复性高于98%。证明了该套系统可用于在安全可靠和低成本的先决条件下,摸索和揭示用于气液相变流体的热力学排气技术的基本共性规律。(2)进行了热负荷、充注率、压力控制带、控制策略、非均匀加热等因素对热力学排气系统运行影响的实验研究。获得了TVS作用下贮箱增压特性及排气损失定量规律。自增压过程中贮箱气枕压力近似呈线性增长。换热排气阶段升压速率低于单纯依靠喷射器作用阶段的升压速率。与采用定期直接放空法相比,在120W热负荷时采用TVS方法可减少工质损失79.3%,验证了采用TVS方法在控制贮箱压力方面的优越性和实际可操作性。(3)基于VOF方法选取四分之一贮箱为研究对象对自增压过程进行了三维仿真建模。利用有限元软件FLUENT对模型进行了求解。通过和实验进行对比确定了贮箱顶部和底部壁面与外界环境的对流换热系数。对于不同的充注率(50%、65%)、热负荷工况(120W、160W),模型预测结果和实验测量结果偏差都在1.13%以内。分析了自增压过程中贮箱内流场和温场变化。阐述了气液质量迁移随时间变化的关系。(4)在对喷射过程进行仿真之前,基于伯努利方程先针对喷射棒建立了一维不可压缩流动模型,获得了喷射流量在每一个喷孔上的分配关系,为喷射过程提供了速度边界条件。对喷射过程进行了三维仿真建模,模型预测结果和实验测量结果偏差小于0.54%。在此基础上分析了喷射过程中贮箱内流场和温场变化。