IMECH-IR  > 国家微重力实验室
在轨航天器流体输运稳定性研究
Alternative TitleStudy on the Stability of Fluid Transportation in Space
陈小亮
Thesis Advisor刘秋生
2016
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Subtype硕士
Degree Discipline流体力学
Abstract航天器在轨加注技术的发展与应用对于提高航天器机动能力、延长航天器寿命和适应多样化任务需求具有重要意义。空间流体管理技术是实现航天器在轨加注的重要技术之一。微重力环境下,表面张力主导的流动有许多区别于常重力环境下的特性,了解和掌握微重力环境下流体推进剂的流动规律,是确保推进剂在轨输运顺利进行的基础。当从贮箱内排出推进剂时,液体输运速率由于界面流动稳定性而存在最大值限制。若液体输运速率超过临界值,毛细压力将不足以平衡界面上的气液压差而导致液面失稳,气体随流动卷入推进剂中,致使推进剂输运失败,这就是推进剂输运过程中存在的界面流动稳定性问题。不对称内角流道作为一种被应用广泛的推进剂管理装置,在卫星推进剂贮箱中具有重要应用,但是,目前对于该流道毛细流动稳定性问题的研究还寥寥无几。 本文的研究背景为以航天器在轨加注技术,以不对称内角流道为主要研究对象,研究了微重力环境下卫星贮箱在排出推进剂过程中的界面流动稳定性问题。进行了相关的微重力实验,并建立了不对称内角流道的一维理论研究方法,最后提出临界流量公式。主要研究内容有: (1)实验平台的搭建和调试,由于我国空间科学及其他技术科学发展的需求,我们非常有必要搭建自己的实验平台,本实验平台可同时进行双流道实验,我们选取大开角对称流道和非对称流道为实验流道,两实验流道有相同的流道长度和横截面积,实验工质为HFE-7500,利用我国中科院微重力落塔进行了10次实验,研究了两个实验流道的临界流量以及流动的特征,并进行对比,可以得出流道横截面积相等的情况下,非对称流道的临界流量高于对称流道,可以证明流道截面几何形状对毛细流道流动有较大的影响; (2)提出一种将流道面积变化不适合剧烈的流道转化为已经深入研究的流道的方法,即保证自由液面面积和横截面面积都一致而进行等效,将不对称内角转化为与其具有相同液面参数的对称内角来间接求解,分析了微重力环境下液体在表面张力驱动下的流动机理,由动量方程、质量守恒方程、Young-Laplace方程出发,推导得出了一维过流稳定性控制方程,通过对该方程的数值求解,可以解算出液面参数及临界流量值; (3)通过对理论模型的理解,推导显式化的临界流量表达式,最终提出包含全部参数的较为普适临界流量公式,并与空间实验结果曲线进行比较,确定了三种实验流道的临界流量系数,并分析了长度比、oh数和流道阻力系数对临界流量的影响。 论文综合应用实验分析、理论分析等手段,对微重力环境下在卫星贮箱内推进剂流体输运稳定性问题进行了研究,丰富了内角毛细流动理论的研究内容,为板式表面张力贮箱的优化与设计提供了参考,在理论研究与工程应用上都具有较大意义。
Call Number31311
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/59448
Collection国家微重力实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
陈小亮. 在轨航天器流体输运稳定性研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2016.
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