低温流体晃动行为与热力特性耦合的关键机理研究

Caused by the slosh of cryogenic fuel, it is occurred usually at home and abroad for the cease and the failure of the launch missions. Until now, a large amount of the investigations on the pure slosh process in cryogenic fuel storage tank have been conducted by the experimental and numerical study. There are only few investigations involved in the research on the thermodynamic process in the slosh cryogenic storage tank under the non-isothermal condition. The theoretical analysis, the numerical simulation and the experimental study are coupled and adopted to conduct the mechanism research on the non-isothermal slosh behavior in cryogenic storage tank, clarify the coupling mechanism of the fluid slosh and the thermodynamic characteristic, explore the method of the numerical model building to predict the coupled process of fluid slosh and the thermodynamic phenomenon in non-isothermal condition. Aimed at the fluid dynamic response caused by the external slosh excitation, an evaluation index for the behavior of fluid slosh, is expected to be proposed. Meanwhile, the tank pressure conversion trend during the slosh process is obtained, the inherent mechanism of the fluid thermal stratification from the weakening to forming again is revealed, and the proper strategy of tank pressure control is optimized. The investigation of the present project will help to enrich the mechanism of dynamic heat and mass transfer with the fluid and the solid coupled in the slosh tank, provide theoretical basis and solution for the effective design of pressure control system in cryogenic storage tank and the research findings are of great significance for further improving the success proportion of the aerospace missions.

由低温燃料流体晃动所造成的航天发射任务终止以及发射任务失败的实例在国内外时有发生。针对低温流体晃动行为，研究人员已开展了大量的纯流体晃动动力学方面的研究，目前仅有少量研究涉及到非等温条件下箱体内部晃动热力过程。本项目拟采用理论分析、数值模拟与实验研究相结合，开展低温燃料箱体内部流体非等温晃动行为的机理研究，阐明低温箱体内部流体晃动过程与热力特性的耦合机制，探索在非等温条件下流体晃动与热力耦合数值模型构建方法；以晃动激励对箱内流体流动的动态响应为测试目标，提出流体晃动动力学行为评价指标，获得晃动过程箱体压力转变趋势，揭示流体热分层从弱化到再次建立的内在规律，优化箱体控压策略。研究结果将有助于发展晃动箱体内部流固耦合热质传递机理，为低温燃料箱体的控压系统设计提供理论基础，对进一步提高航天发射任务的成功率具有重要意义。

流体晃动给低温推进剂高效储运带来了一系列安全隐患。本项目采用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的方式，对低温推进燃料贮箱内部流体非等温流体晃动行为进行了综合研究。通过对流体晃动进行理论分析，获得了初始参数设置与固有频率之间的关系。详细考虑了不同传热方式，基于VOF模型+mesh motion边界处理，对低温流体晃动热力耦合过程进行了数值建模；通过与实验结果进行对比发现，数值模型预测偏差控制在±5%内。基于所构建数值模型，对流体晃动力学参数与热力参数进行了综合分析。数值研究了外部漏热、初始液体温度、初始液体充注率、初始激励振幅、晃动激励形式等对低温流体晃动热力耦合特性的影响规律；并开展了相应的流体晃动实验研究。结果表明：①晃动力与晃动力矩均随时间波动降低。在过冷液体冷却下，气液相流体压力随时间呈逐渐降低趋势。距离气液界面越近，流体温度受晃动激励影响越明显。②晃动激励促使箱内流体做往复运动，大的波峰波谷逐渐向箱体中部移动，气液界面形状分布大致沿箱体中心线对称分布。距离箱体壁面越近，流体起伏波动幅度越大；而距离箱体对称轴越近，流体波动幅度越小。对称布置的动态监测点具有方向相反的位移波动变化曲线。③外部环境漏热降低了晃动力波动幅度，在一定程度上减缓了箱体压降与气相冷凝；流体晃动力随初始液体温度的降低而增加，但晃动力矩变化则不明显；流体晃动力随初始液体充注率的增加而增加，有关的界面位移波动也相应增加；流体晃动力与晃动力矩均随初始晃动激励振幅的增加而增加。④间歇晃动激励对晃动力学与热力参数均产生了明显影响，经过合理设计可用于对低温燃料进行有效热管理。⑤流体晃动造成了气液界面的大幅变化，促进了气液相间热量传递，其对气相温度造成了较明显的影响。整体上流体温度呈现上部高、下部低的温度分布。本项目研究对提高低温推进系统的安全性与可靠性具有重要意义，相关成果可为低温推进剂热管理以及推进系统增压设计提供技术参考。