微重力环境流体贮箱热分层机理研究

Pressurization control in a cryogenic propellant tank is crucial to successful long-duration space missions. Thermal stratification phenomenon in the cryogenic propellant tank may remarkably influence the pressurization rate. The present study aims to reveal the origin and evolution of the thermal stratification phenomenon in the liquid tank in microgravity environment and to establish the proper theoretical model of the thermal stratification phenomenon through theoretical analyses, ground-based normal gravity experiments, microgravity drop-tower experiments and numerical simulations.

低温推进剂贮箱的自增压控制对于航天器长期在轨飞行任务的顺利进行至关重要。低温推进剂贮箱内部的热分层现象会显著影响自增压速率。本项目将研究微重力条件下贮箱内部两相流体体系热分层现象的形成和变化机理，综合开展理论分析、实验研究（中性悬浮模拟微重力条件的地面模拟实验和地基短时微重力落塔实验）和数值仿真。根据实验数据对相关理论和计算流体力学模型进行验证和改进，以期构建能够正确描述微重力环境下流体贮箱内部热分层现象的理论模型。

本项目采用理论、实验和数值模拟相结合的方法，在考虑低重力条件下贮箱内两相界面的表面张力（毛细爬升作用）的基础上，从重力水平、充液量、热流边界条件三个方面系统研究了胶囊罐贮箱内的热分层及其自增压过程，对比揭示了贮箱内两相流动的流场分布规律，分析了贮箱内的热分层和自增压现象，总结了贮箱内平均温度、平均压力以及传质率随时间的变化规律。该研究结果揭示了贮箱内热分层、相变传热传质及自增压过程的机理和基本规律，对于空间贮箱的设计以及维护都具有重要的参考指导意义。更一般地，对于空间容器、系统内的相变传热传质过程提供了较为有效的研究手段。