為研究重型運(yùn)載火箭液氧管道中的間歇泉現(xiàn)象并設(shè)計(jì)有效的抑制方法,調(diào)研分析了不同領(lǐng)域中間歇泉的研究現(xiàn)狀及低溫領(lǐng)域間歇泉的特點(diǎn)。揭示了低溫推進(jìn)劑管道中間歇泉的動(dòng)態(tài)特性和產(chǎn)生機(jī)理,提出了重型運(yùn)載火箭間歇泉抑制方法。研究表明:1)低溫領(lǐng)域發(fā)生間歇泉的管道結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱流輸入方式、液體性質(zhì)與其他領(lǐng)域相比有較大不同;2)減壓沸騰是間歇泉產(chǎn)生的主要原因,彈狀氣泡不是低溫管道中產(chǎn)生間歇泉的必要條件;3)間歇泉過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)劇烈的壓力降低和突增現(xiàn)象,在惡劣工況下壓力波動(dòng)可達(dá)兆帕量級(jí);4)根據(jù)重型火箭的管路布局方式,可選擇氦氣注入或者外界熱流引起循環(huán)流動(dòng)的方法來(lái)抑制間歇泉。 

【文章來(lái)源】：宇航學(xué)報(bào). 2020,41(04)北大核心

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【部分圖文】：

不同領(lǐng)域間歇泉發(fā)生條件的差異

在日本的H-II火箭液氧輸送管道實(shí)驗(yàn)中,出現(xiàn)了明顯的間歇泉現(xiàn)象。其實(shí)驗(yàn)管道結(jié)構(gòu)如圖2所示,間歇泉過(guò)程中底部壓力變化如圖3所示[29]。由圖3可知,H-II火箭液氧輸送管道中,由于間歇泉的出現(xiàn),管路底部壓力由0.3 MPa先降低到了0.15 MPa,后升高到了0.85 MPa[29]。而其管道直徑卻高達(dá)200 mm,遠(yuǎn)高于可形成彈狀氣泡的臨界直徑。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出,在某些惡劣工況下,間歇泉的壓力波動(dòng)是十分劇烈的,可達(dá)到兆帕量級(jí)。從Chen等[7]的實(shí)驗(yàn)中也能看到,在間歇泉的噴涌過(guò)程中流型呈現(xiàn)出攪混流,而不是彈狀流。因此可以說(shuō)明,若管徑較小,發(fā)生間歇泉時(shí)可能會(huì)存在彈狀氣泡;但是,彈狀氣泡的存在并不是產(chǎn)生間歇泉的必要條件。同時(shí),本文建立了H-II火箭數(shù)值模型,用CFD手段對(duì)其中截止閥關(guān)閉工況的間歇泉過(guò)程進(jìn)行了分析。可以看出,文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和本文數(shù)值模擬結(jié)果在趨勢(shì)和數(shù)值都比較吻合。分析數(shù)值和文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖4給出了低溫推進(jìn)劑管道中間歇泉現(xiàn)象的典型時(shí)刻流動(dòng)特征。間歇泉可分為三個(gè)階段,潛伏期、噴涌期和回流期。其中,潛伏期所占整個(gè)間歇泉周期的比例極大,通常可達(dá)90%以上[7]。噴涌現(xiàn)象是間歇泉最被人們熟知的特征,表現(xiàn)為氣液混合物從管道高速噴出。噴涌期管道內(nèi)的含氣率較高,管底部壓力在短時(shí)間內(nèi)降低到了貯箱內(nèi)的壓力水平,代表著管道幾乎被氣體充滿。上文分析得出,噴涌的直接原因不是彈狀氣泡的產(chǎn)生。但從噴涌的特征來(lái)看,必定是由于管內(nèi)有大量氣體出現(xiàn)造成的。

這種大量氣體的瞬間出現(xiàn)的原因可以總結(jié)如下:在漏熱作用下,管內(nèi)液體溫度逐漸升高并產(chǎn)生氣泡。隨著氣泡不斷增多,一部分管內(nèi)液體被排出造成管內(nèi)靜壓降低,壓力的降低又加速氣泡形成。在這一連鎖反應(yīng)中,液體從飽和狀態(tài)變?yōu)檫^(guò)熱狀態(tài),并劇烈沸騰釋放其中的能量,產(chǎn)生大量氣體,造成氣液混合物的高速噴出,此處將該過(guò)程稱為“減壓沸騰”�？梢钥闯鲩g歇泉的形成主要是由于劇烈的減壓沸騰產(chǎn)生大量氣體形成噴涌,而不是彈狀氣泡的出現(xiàn)�；亓麟A段被認(rèn)為是間歇泉對(duì)火箭推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)危害性最大的一個(gè)階段�；亓髌谫A箱內(nèi)的過(guò)冷液體回流重新充滿管道,在這個(gè)過(guò)程中液柱與管路底部管壁,或者底部殘余液體碰撞,產(chǎn)生非常高的壓力峰值。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)關(guān)于回流階段的沖擊作用,普遍認(rèn)為是一種水擊現(xiàn)象[17]。而在噴涌結(jié)束后,液體的回流可能受兩種因素影響,重力作用和氣體的冷凝作用。何種因素占主導(dǎo)用于可作進(jìn)一步的研究。2.2 推進(jìn)劑管路間歇泉抑制方法分析

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]低溫氣液兩相彈狀流流動(dòng)特性和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值研究[D]. 劉亦鵬.上海交通大學(xué) 2013
[2]垂直管道低溫汽-液兩相流動(dòng)彈狀流流型及動(dòng)態(tài)特性的研究[D]. 張華.上海交通大學(xué) 2009



本文編號(hào)：3066436