论文摘要：推进剂贮箱内传热、相变和流动仿真及实验方案设计研究

运载火箭低温推进剂贮箱在发射场加注后进入地面停放阶段，在外部环境的影响下，贮箱的壁面漏热会引起贮箱内流体温度的上升和液体推进剂的汽化，造成贮箱压力持续性升高。如果停放时间过长会导致贮箱保险阀开启排气，影响发射安全。为了避免这种安全隐患，需要对贮箱压力变化进行准确的预示。类似的，在轨航天器同样面临贮箱压力升高的问题，传统的解决方法是通过排放降低贮箱压力，这种方式会造成推进剂损失，减少航天器寿命，影响动力系统的可靠性和航天器的安全性，因此需要发展新的空间压力控制技术。这些工程问题的解决都需要对贮箱内传热、相变和流动等物理过程有较为深入的了解，特别是需要获得这些物理过程对贮箱压力变化的影响规律。因此，本文开展了对低温推进剂贮箱内物理过程的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）数值仿真研究，并设计了地面和空间贮箱实验方案，为将来实验研究打下基础。

国内外现有的仿真研究采用了很多简化方法对贮箱内气体区域和相变过程进行建模，例如对气枕区域采用集总参数化建模，或建立集总参数化的相变模型，忽略气体温度分布和气枕中不凝气体的影响。为了更准确地模拟贮箱中的物理过程，本文建立了较为完善的二维轴对称CFD仿真模型。模型采用VOF（Volume of Fluid）多相流模型，包含液体推进剂和混合气体两相；根据热力学平衡原理建立了推进剂的相变模型，考虑了气液界面和贮箱内壁面上的汽化和冷凝过程；贮箱中的气相采用真实气体模型建模，并建立了混合气体扩散模型，能够研究不凝气体对贮箱的影响；模型考虑了贮箱壁面内部的二维轴对称导热过程以及贮箱内壁面流固边界上的耦合传热。通过对NASA的液氢贮箱自增压实验的仿真对模型进行了验证，仿真得到的压力变化与实验结果非常接近，仿真精度明显超过国外已有的仿真结果。

为了研究贮箱自增压过程中物理现象的变化规律和相互作用关系，对国内工程单位开展的液氢贮箱憋压实验进行仿真。仿真得到的初期瞬态阶段的压力变化趋势与实验结果相似；在压力稳定上升阶段，仿真得到的压力上升速率与实验数据差别仅6.1%，进一步验证了仿真模型的可靠性。仿真证明液氢初始温度的小范围偏差会明显影响初始瞬态阶段的压力变化，但对稳定阶段的压力上升速率影响较小。此外，通过对贮箱中气液固耦合传热过程的仿真，得到了贮箱内壁面上的热流密度的分布及变化规律。

为了预示射前运载火箭低温推进剂贮箱的压力变化、研究影响贮箱压力变化的因素，对具有共底结构的运载火箭液氢液氧贮箱的地面停放阶段进行了仿真。仿真发现，使用氦气进行预先增压的液氢贮箱和液氧贮箱的压力变化规律有很大差异。液氢贮箱在自增压阶段压力持续上升，而液氧贮箱的压力则先上升后缓慢下降，仿真获得的压力变化规律可以为发射流程的优化提供参考。液氢贮箱压力上升的主要原因是壁面漏热对气枕的加热作用；而对于与液氢贮箱共底的的液氧贮箱，在加压阶段的初期，贮箱压力的变化趋势与气体质量变化一致，主要受液氧相变的影响。另一方面，贮箱中推进剂的相变和对流运动相互作用，共同影响地面停放状态下液氢、液氧贮箱的压力变化。在氢箱中，气枕加热液面附近的液氢，抑制了氢箱上部的液氢的对流运动，大大减少了侧壁面和底部被加热的液氢向液面的流动，这也是氢箱中蒸发量较低的原因之一；在氧箱中，气枕对液面的冷却作用导致对流运动一直较为活跃，流向液面的温度较高的液氧抑制了液面上的冷凝。两个贮箱中气液之间、气体和壁面之间不同的传热规律造成了两者液体对流运动趋势差别，其根本原因在于两个贮箱顶部包裹气体区域的壁面有不同的热力学边界条件。

为了在后续研究中进一步验证仿真模型、研究贮箱中物理过程的相互作用机理，尤其是对流运动对贮箱压力变化、推进剂相变和传热过程的影响，本文设计了可视化的地面贮箱增压实验方案，并进行了相应的仿真。实验采用一个使用Pyrex玻璃材料制成的的实验贮箱，引入PIV（Particle Image Velocimetry）设备观测贮箱中低温液体的速度分布，结合对压力、温度、蒸发量的测量以进行综合分析。这一实验方案将成为后续研究的基础，此外，利用这一实验平台还可以开展贮箱压力控制技术的探索性实验。

最后，针对航天器空间流体管理技术发展的需要，在地面贮箱实验方案基础上设计了微重力条件下的贮箱空间实验方案。计划在我国未来载人空间站上开展贮箱的自增压、沸腾和压力控制实验。空间实验能够研究微重力条件下贮箱中的传热、对流和相变过程的相互作用关系，以及贮箱压力、两相分布等关键性能参数的变化规律，有助于我国航天器贮箱压力控制技术发展。空间实验最终实现还需要较长时间和大量研究工作。

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