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侧向微重力环境下板式表面张力贮箱内推进剂晃动行为分析

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空间控制技术与应用 2021年第1期47卷 63-69页

作者：黄滨王璐陈磊刘锦涛吴大转浙江大学海洋学院舟山316021 北京控制工程研究所北京100190 浙江大学能源工程学院杭州310027

侧向微重力是航天器在轨飞行时在东西位置保持和南北位置保持状态时所处的加速度环境.由于航天器贮箱内推进剂在侧向加速度环境下的重定位过程易产生晃动,因此侧向加速度环境对贮箱内推进剂管理装置(PMD)的管理能力的要求更高.为确保板... 详细信息

侧向微重力是航天器在轨飞行时在东西位置保持和南北位置保持状态时所处的加速度环境.由于航天器贮箱内推进剂在侧向加速度环境下的重定位过程易产生晃动,因此侧向加速度环境对贮箱内推进剂管理装置(PMD)的管理能力的要求更高.为确保板式贮箱对推进剂的在轨管理能力,需要开展一系列的数值仿真与试验对PMD的管理能力进行验证.本文以板式表面张力贮箱为研究对象,采用VOF两相流模型对侧向微重力环境下重定位过程中贮箱内推进剂的运动进行数值模拟,并对推进剂运动中的晃动行为进行分析.最终,通过数值模拟结果验证了板式表面贮箱的管理能力,为微重力落塔试验与空间站试验提供参考依据.

关键词：侧向微重力板式表面张力贮箱流体行为液体晃动

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微重力下板式表面张力贮箱内流体管理的研究

微重力下板式表面张力贮箱内流体管理的研究

作者：张晨辉东北大学

学位级别：硕士

航天系统由多系统组成,其中,推进系统在飞行器的正常运行中起着至关重要的作用,而液体推进剂贮箱是推进系统中不可缺少的一部分,在微重力环境中的物体行为尤其是液体行为与地面上有明显不同,正是由于这些差异,对空间流体(液体和气体)的... 详细信息

航天系统由多系统组成,其中,推进系统在飞行器的正常运行中起着至关重要的作用,而液体推进剂贮箱是推进系统中不可缺少的一部分,在微重力环境中的物体行为尤其是液体行为与地面上有明显不同,正是由于这些差异,对空间流体(液体和气体)的贮存、控制以及传输都提出了新的挑战,因此研究空间环境中推进剂贮箱内的流体现象和界面行为以及微重力流体管理成为航天工程中的一个重要课题。围绕此课题,本文开展了以下四方面的工作：>首先,利用全自动高温光学表面张力接触角仪(OneAttension)对毛细流动中的重要参数即接触角做了深入的研究,对曲面上的接触角进行了大量的测量,得出相关的结论。>其次,通过编译三维气液平衡界面计算程序Surface Evolver,对零重力下的板式表面张力贮箱内的液体形态进行模拟分析,验证了Concus-Finn在变内角处的适用性,并对贮箱的结构设计提出几点参考。> 用Flow 3D对贮箱内部特定工况和特定工质下的毛细流动做了定量分析,与落塔实验结果作对比,为以后深入研究提供参考。>最后,利用中国科学院力学研究所国家微重力实验的落塔设施提供的微重力条件进行了落塔实验,对以下四个方面进行探讨：(1)导流板对贮箱内毛细爬升的影响;(2)导流板和蓄液池的叶片数量对流体形态的影响;(3)不同工质(接触角不同)对毛细爬升的影响;(4)研究了接触角相同且浸润性良好的情况下,粘度对毛细爬升的影响。

关键词：板式表面张力贮箱毛细流动接触角 Surface Evolver Flow 3D 落塔

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基于热容法测量的卫星推进剂剩余量仿真分析

空间控制技术与应用 2024年第5期50卷 101-112页

作者：黄滨陈佳呈李文刘锦涛王璐浙江大学海洋学院舟山316021 北京控制工程研究所北京100094

热容法是具有主动热源输入的卫星推进剂剩余量测量方法,该方法是通过在贮箱表面安装特定功率加热片同时获取测点温度变化数据的方式推算推进剂剩余量.为获得微重力环境下准确的热分析模型,针对板式贮箱在轨环境下的气液分布特点,基于计... 详细信息

热容法是具有主动热源输入的卫星推进剂剩余量测量方法,该方法是通过在贮箱表面安装特定功率加热片同时获取测点温度变化数据的方式推算推进剂剩余量.为获得微重力环境下准确的热分析模型,针对板式贮箱在轨环境下的气液分布特点,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对贮箱热容法进行数值仿真,研究不同加速度条件、填充比与测点位置对热容法精度的影响.结果表明,在微重力环境下,推进剂受微重力影响沿导流板向上爬升,推进剂浸润的贮箱壁面面积更大,从而导致贮箱的温度分布与地面工况存在明显差异.通过研究发现,在微重力工况下,当测点分布于远离热源处时,测点的温度分辨率更高,热容法的测量精度更高.

关键词：热容法微重力环境板式表面张力贮箱推进剂剩余量测量方法

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微重力环境下贮箱内液体晃动特性研究

微重力环境下贮箱内液体晃动特性研究

作者：刘晓琳国防科学技术大学

学位级别：硕士

随着航天事业的迅速发展,推进剂在航天器中的比重在不断的增大,由于航天任务越来越复杂,对其姿态和机动能力的要求越来越高,这就使得我们对航天器在运行过程中推进剂的晃动问题越来越重视。火箭发射后第一阶段的飞行稳定性和入轨后的飞... 详细信息

随着航天事业的迅速发展,推进剂在航天器中的比重在不断的增大,由于航天任务越来越复杂,对其姿态和机动能力的要求越来越高,这就使得我们对航天器在运行过程中推进剂的晃动问题越来越重视。火箭发射后第一阶段的飞行稳定性和入轨后的飞行精度、姿态控制和变换轨道与液体的运动状态有着密不可分的关系。首先贮箱内推进剂的重量越重,其晃动的质量也在不断的增大,其固有频率越来越低,在几赫兹以下的低频晃动容易和航天器的系统频率相一致,对航天器产生不良的作用。而且,航天器的力和力矩很容易受到航天器所携带的液体推进剂晃动的干扰,使姿态产生巨大的变化。本文从航天工程的实际应用出发,从理论、仿真和实验三方面对微重力条件下的液体晃动特性进行研究,主要的研究内容有:微重力条件下贮箱内液体晃动理论建模。首先独立提出了一种新的微重力条件下液体晃动的理论模型,从流体的三大基本方程出发,对方程进行简化,接着对贮箱壁面运动学边界条件,自由液面运动学边界条件,自由液面动力学边界条件进行线性化处理,最后求出液体晃动的振幅,阻尼,力和力矩的理论模型,编程求出一阶,二阶和三阶的频率和波形。液体晃动的数值仿真分析与验证。用Pro/E建立贮箱模型,然后用ANASYS中的ICEM前处理软件对贮箱模型进行网格划分,用Fluent软件进行数值模拟仿真,两相流模型采用VOF模型,首先对常重力下的液体晃动进行仿真,然后对微重力情况下的液体小幅度晃动和大幅度晃动进行数值仿真,对比仿真结果。由于在仿真的过程中需要考虑贮箱的运动和动态接触角的问题,所以在Fluent中加载了用户的自定义函数,分析动态接触角对贮箱晃动的影响。液体晃动的实验设计。结合我国的中科院的百米落塔的实验条件,设计用来验证液体晃动的的实验装置和实验方法步骤,实验的设计开展为后续的工作奠定了良好的基础。论文从理论研究、数值仿真和实验设计等方面对微重力情况下液体的晃动特性进行了分析,得出了理论模型,并用数值仿真和实验等方法对其验证,丰富了微重力情况下推进剂在贮箱内晃动的研究内容,不管在工程上还是在理论研究上都具有重要的意义。

关键词：液体晃动微重力表面张力数值分析落塔实验板式表面张力贮箱

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微重力环境下不对称内角流道过流稳定性研究

微重力环境下不对称内角流道过流稳定性研究

作者：唐宇国防科学技术大学

学位级别：硕士

航天器在轨加注技术的发展与应用对于提高航天器机动能力、延长航天器寿命和适应多样化任务需求具有重要意义。空间液体管理是实现航天器在轨加注的重要技术之一。微重力环境下,以表面张力为主要作用力的液体流动有许多区别于常重力环... 详细信息

航天器在轨加注技术的发展与应用对于提高航天器机动能力、延长航天器寿命和适应多样化任务需求具有重要意义。空间液体管理是实现航天器在轨加注的重要技术之一。微重力环境下,以表面张力为主要作用力的液体流动有许多区别于常重力环境下的特性,了解和掌握微重力环境下液体推进剂的流动规律,是确保推进剂在轨传输得以顺利进行的前提和基础。当从贮箱内排出推进剂时,为保持贮箱内推进剂处于气液分离的状态,排液速率存在最大值限制。若排液速率超过临界值,将由于毛细压力不足以平衡界面上的气液压差而导致液面失稳,气体卷入推进剂中,致使推进剂传输失败,这就是推进剂排液过程中存在的过流稳定性问题。不对称内角流道作为一种应用广泛的推进剂管理装置,在卫星推进剂贮箱中具有重要应用,但是,目前对于该流道过流稳定性问题的研究还寥寥无几。本文以航天器在轨加注技术为背景,以不对称内角流道为研究对象,研究了微重力环境下卫星贮箱在排出推进剂过程中的过流稳定性问题。建立了不对称内角流道过流稳定性模型,基于该模型开展了贮箱内推进剂管理装置优化设计,并进行了相关的微重力实验设计工作。主要研究内容有:(1)不对称内角流道过流稳定性建模。通过引入等效内角,将不对称内角转化为与其具有相同液面参数的对称内角来间接求解,克服了不对称内角的几何复杂性给建模带来的困难;分析了微重力环境下液体在表面张力驱动下的流动机理,由动量方程、质量守恒方程、Young-Laplace方程出发,推导得出了一维过流稳定性控制方程,通过对该方程的数值求解,可以解算出液面参数及临界流量值;利用Fluent流体仿真软件,对该理论模型进行了数值仿真验证。(2)不对称内角流道过流稳定性特性分析。在不对称内角流道过流稳定性模型基础上,探究了流道长度、宽度、贮箱半径等几何因素对于流动稳定性的影响;分析了推进剂粘性对流动稳定性的影响,该工作为后续导流板的优化设计奠定了基础。(3)基于流动稳定性的导流板优化设计。基于不对称内角流道一维过流稳定性模型及特性分析,以推进剂排出过程中的临界流速最大为优化目标,以导流板长度、宽度、个数、贮箱半径等为设计变量,分别对单独安装内、外导流板贮箱及两者结合形式的贮箱进行了优化设计。该工作对工程实际中的贮箱设计具有参考意义。(4)不对称内角流道过流稳定性的实验设计。结合我国中科院力学所百米落塔的实验条件,设计了用于验证不对称内角流道过流稳定性的微重力实验装置及实验方法。尽管实验由于装置加工方面的原因未能如期开展,但该实验设计为后续开展微重力实验奠定了良好的基础。论文综合应用理论分析、数值仿真、实验设计等手段,对微重力环境下推进剂在卫星贮箱内排出过程的稳定性进行了研究,丰富了内角流动理论的研究内容,为板式表面张力贮箱的优化与设计提供了参考,在理论研究与工程应用上都具有较大意义。

关键词：微重力板式表面张力贮箱表面张力推进剂管理不对称内角临界流量落塔实验

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微重力环境下球形贮箱内角处毛细流动的研究

微重力环境下球形贮箱内角处毛细流动的研究

作者：刘新宇东北大学

学位级别：硕士

液体推进剂贮箱作为航天发动机的重要组成部分,其主要功能是为航天器提供纯净的推进剂。在微重力环境下,由于B0=1,表面张力对液体流动的影响占主导地位。这会导致液体沿内角毛细流动的性质发生巨大的变化,因此就对贮箱的流体管理能力及... 详细信息

液体推进剂贮箱作为航天发动机的重要组成部分,其主要功能是为航天器提供纯净的推进剂。在微重力环境下,由于B0=1,表面张力对液体流动的影响占主导地位。这会导致液体沿内角毛细流动的性质发生巨大的变化,因此就对贮箱的流体管理能力及其可靠性提出了更高的要求。因此,设计和优化贮箱结构成为航天器在轨加注技术的一项关键环节。运用构建虚拟内角的方法,将球形贮箱的不对称内角等效转化为对称内角,从而基于流体力学中的Navies-Stokes方程,建立了微重力环境下球形贮箱内角处毛细流动的非线性控制方程,求解出了液面高度的稳态通解,进而由此得到了液面长度和初始截面处流量的表达式。经过对虚拟内角数学模型的理论求解,分析出液面曲率半径和外侧导流板宽度成反比关系变化,内角角度和外侧导流板宽度成正比关系变化。最后由初始截面处流量和流量效率确定出最合适的外侧叶片数量,通过计算液体与外侧叶片接触部分的长度,对外侧叶片结构进行了优化设计,从而达到了减轻贮箱重量和提高贮箱工作效率的目的。运用FLOW-3D软件对所设计的贮箱进行数值模拟,探究工作介质、贮箱材质、初始液面高度及截面积对内角处毛细流动的影响。通过模拟研究表明,接触角减小、初始液面截面积增大会使内角处毛细流动速度加快,并且无水乙醇的爬升速度要比10cs硅油快。运用Surface Evolver软件对球形贮箱不对称内角处的毛细流动进行定性分析,其模拟结果也证明了以上因素对毛细流动影响规律的正确性,同时也开辟了研究球贮箱内角处毛细流动的新方法。

关键词：毛细流动板式表面张力贮箱 FLOW-3D Surface Evolver

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微重力板式贮箱推进剂重定位的数值仿真

空间控制技术与应用 2009年第6期35卷 54-57页

作者：胡齐陈健李永北京控制工程研究所北京100190

板式表面张力贮箱内推进剂重定位对确定推进剂分布情况、研究晃动影响、提高控制精度等具有重要意义.为研究板式贮箱内推进剂重定位的规律,对微重力下板式贮箱内液体重定位问题进行数值仿真.计算时使用三维非定常两相流动流体(VOF)模型... 详细信息

板式表面张力贮箱内推进剂重定位对确定推进剂分布情况、研究晃动影响、提高控制精度等具有重要意义.为研究板式贮箱内推进剂重定位的规律,对微重力下板式贮箱内液体重定位问题进行数值仿真.计算时使用三维非定常两相流动流体(VOF)模型,对某一板式贮箱寿命末期在不同微重力加速度情况下各种重定位过程进行数值仿真,得到各种工况下重定位的全过程,以及定位后推进剂的分布情况.数值仿真结果为板式贮箱的设计提供有利依据.

关键词：微重力板式表面张力贮箱推进剂重定位数值仿真

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空间板式贮箱流体输运及界面行为研究

空间板式贮箱流体输运及界面行为研究