垂直管路中低温两相流间歇泉现象及其动态特性的研究

摘要

随着航天运载工具向大、小两极化的发展，对低温推进剂在管路中出现的间歇泉现象的研究越来越受到重视。低温间歇泉现象一般发生在连接推进剂贮罐与火箭引擎的垂直管路贮运系统中，主要是由于管路漏热导致汽泡产生、增多、聚合，最终形成阻塞管路的弹状汽泡，随着上升而产生喷发。这种喷发现象源于管路内部能量的释放，导致流动系统大的压力波动，甚至会对供应管路和阀门造成结构性损害，因此对低温管路内间歇泉产生机理以及动态特性的研究，具有重要的理论价值和实用意义。
　　 本文在前人对常温气液两相流研究的基础上，以实验研究和理论分析相结合的方法，重点研究了低温贮运系统垂直和倾斜管路内弹状流流动中弹状汽泡与液塞组成的弹单元特性、两连续弹状汽泡追赶聚合机理、间歇泉现象及其动态特性等基础问题，以求探索这一复杂现象发生的机理以及如何预测、防止和监控，为工程应用提供参考。本文的主要工作内容：
　　 1．搭建低温液氮垂直和倾斜管路内间歇泉现象可视化和动态参数测试两套实验装置。分析可视化的图像，研究间歇泉现象产生条件和规律；分析实验测试的温度和动态压力信号，得出间歇泉特性表征参数，揭示间歇泉的动态特性。
　　 2．通过可视化实验，研究了低温垂直和倾斜管路内弹单元和两连续弹状汽泡的追赶、聚合特性，得到了沿管路不同位置处，弹单元的长度、速度、生成频率随着倾斜角度的变化规律；在管路出口区域，领先弹状汽泡的头部形状变化不大；领先弹状汽泡的尾流对尾随弹状汽泡的头部形状和运动速度有很大的影响，最终导致两汽泡合并。
　　 3．通过实验得到了垂直和倾斜管内不同长度弹状汽泡进入上部贮罐后破碎、聚合的运动规律；垂直和倾斜管内液塞区的离散小汽泡进入上部贮罐后破碎、聚合的运动规律，从而揭示了低温汽液两相流弹状汽泡和液塞组成的弹单元进入上部贮罐后的运动特性。
　　 4．通过实验总结归纳了低温垂直和倾斜管路内间歇泉动态特性，获得间歇泉的分类及其相应的产生机理；将Murphy曲线同实验结果进行了对比；研究了对系统产生间歇泉现象的影响因素；进一步应用非线性理论中的分形方法对间歇泉动态特性演化过程进行分析，揭示了间歇泉现象产生、发展的规律性。
　　 5．采用VOF模型对低温垂直管路内间歇泉现象进行了数值模拟，得到了不同工况下弹状汽泡进入上部贮罐后的破碎、聚合的运动规律和相应引起的管路底部压力变化的结果；并将模拟结果与实验结果进行对比，吻合较好。并且获得了VOF模型可用于垂直管路中间歇泉现象的发生和加压抑制间歇泉现象进行模拟的结论。
　　 综上所述，本文对低温垂直和倾斜管路中间歇泉产生机理和间歇泉动态特性所进行的实验研究和理论分析，为探求低温贮运系统的间歇泉的发生、发展规律和在实际工程中防止、监控间歇泉现象提供了理论支持与参考。