多孔网幕内磁压及多力场耦合作用下低温流体泡破行为机理研究

Bubble point pressure is a key parameter to evaluate the working performance of screen channel liquid acquisition device (LAD), which directly determines the orbital safety management level of liquid propellants. Facing the degradation of acquisition performance for cryogenic liquids, the improvement limit by traditional optimization methods should be broken through. In this project, taking advantage of the magnetic property of general cryogenic fluids, an optimization method to positive control the bubble point of magnetic cryogenic fluids by applying a magnetic field is proposed. Firstly, through theoretical and numerical methods, the interaction mechanism of magnetic field on magnetic fluids and the coupling mechanism between bubble point pressure and magnetic pressure will be revealed. The differences in behaviors of magnetic fluids between magnetic and nonmagnetic conditions, including flow and distribution of gas and liquid phases, and the transient bubble breakthrough characteristics within the micro-scale pores of screens will be clarified. Secondly, through the ground experiments, the availability of this optimization method will be verified, and the theoretical models will be verified and modified. Finally, the control principles and quantitative indexes of direction, intensity, gradient and other magnetic field conditions on bubble point pressure will be summarized. This study could provide new research ideas and theoretical reference to support the mature application of cryogenic propellants in orbit, which has strong academic significance and innovative value.

泡破压力是反映网幕通道式液体获取装置（LAD）工作性能的核心参数，直接决定着液体推进剂在轨安全管理水平。针对低温推进剂泡破性能衰减问题，为了突破传统优化方法的性能改善瓶颈，本课题借助低温流体普遍具有的弱磁性特质，创造性地提出了采用外加磁场对磁性低温流体泡破行为进行主动控制的性能优化思路。首先，结合理论与数值研究方法，揭示磁场对磁性流体作用机理及泡破压力与磁压作用的耦合机理，明确叠加磁场作用前后，网幕微尺度孔隙内磁性流体气液两相流动、分布及瞬态泡破特性差异。接着，通过地面原理性实验研究，验证外加磁场优化控制泡破压力的有效性，并对理论模型进行校验和修正。最后，总结提出磁场方向、磁场强度、磁场梯度等磁场条件对泡破压力的控制原则和定量化指标。本研究可以为低温推进系统在轨成熟应用提供新的研究思路和理论参考，具有较强的学术意义和创新价值。

泡破压力是反映网幕通道式液体获取装置（LAD）工作性能的核心参数，直接决定着液体推进剂在轨安全管理水平。低温推进剂是未来新型运载火箭、上面级、轨道飞行器的首选燃料，针对低温推进剂泡破性能衰减问题，本项目采用理论分析、数值仿真与试验测试相结合的方法，对金属网幕内低温流体两相流动与相分离机理开展了系统研究及优化分析。首先，构建预测网幕泡破压力的理论计算模型，对比多种网幕类型，荷兰斜纹型筛网（DTW）具有最为复杂的编织方法，较同密度的其他类型网幕具有较高的泡破压力。降低流体温度或采用不凝性气体增压均可以有效增大流体表面张力，从而提高网幕泡破压力。其次，借助低温流体普遍具有的弱磁性特质，创造性地提出了采用外加磁场对磁性低温流体泡破行为进行主动控制的性能优化思路。结合磁性流体力学的基本理论，揭示了外加磁场对磁性流体在网幕通道内流动与分布特性的附加影响效应。构建耦合磁压作用的泡破压力预测模型，明确了在磁场作用下，影响网幕微通道内气液相流动特性的主控力为磁化磁压和界面磁压，阐明了外加磁场增强或抑制多孔网幕泡破压力的作用机理。随后，通过构建DTW真实结构的三维几何模型，获得了筛网内部孔隙流域的结构变化特征，并开展了特征喉部截面泡破压力三维数值仿真，提出了基于筛网几何结构参数的有效孔隙直径计算模型，模型预测结果与文献实验数据同样吻合良好，平均误差不超过10%，能够实现不依赖于实验测量的筛网有效孔隙直径准确预测。最后，搭建可视化筛网泡破压力测试系统，以异丙醇为工质，对3种编织密度的DTW进行泡破压力实验测试，对比分析了气体增压速率对筛网泡破压力的影响规律，并获得了3种筛网样本的有效微孔直径参数。增压速率较低时，泡破压力随增压速率呈现出良好的线性递减趋势。本研究可以为网幕泡破压力性能分析及液体获取装置设计优化提供重要支撑，具有较强的学术意义和创新价值。