推進劑管路接頭內(nèi)腔殘液在軌吹除過程研究

王偉臣，石 泳，張 健，楊 勝

(載人航天總體部，北京100094)

0 引言

為提高航天器(載人空間站、衛(wèi)星)的使用效益，國內(nèi)外多采用推進劑在軌加注的方式延長其使用壽命［1］.推進劑直接傳輸式［2］的加注方式已在俄羅斯和平號空間站以及國際空間站上成功應(yīng)用，技術(shù)成熟度相對較高，中國載人空間站推進劑在軌加注技術(shù)亦采用此種加注形式.

推進劑直接傳輸式加注方案中，需使用管路接頭將主、被動航天器的加注管路系統(tǒng)連接在一起，為推進劑傳輸創(chuàng)造條件.加注完成后，需使用壓縮氣體將加注管路內(nèi)的殘留推進劑向空間內(nèi)吹除干凈［3］，然后再將管路接頭斷開，以避免管路接頭斷開后殘留推進劑從管路接頭處泄漏，進而污染或腐蝕主、被動航天器的對接面和附近設(shè)備，影響對接面及附近設(shè)備的工作性能.因此，為減少管路吹除過程中推進劑在管路接頭處的殘留，需對管路接頭的內(nèi)腔殘液吹除過程進行研究.

加注管路吹除前，管路內(nèi)充滿液體推進劑.在壓縮氣體的吹除作用下，液體推進劑向宇宙空間排出，因此吹除過程中管路接頭內(nèi)腔是氣液兩相流場.在航空領(lǐng)域使用壓縮空氣對航空發(fā)動機燃油噴嘴［4］或噴油桿［5］處的積炭進行吹除，但是該吹除方案在工作環(huán)境(大氣)和吹除對象(固態(tài)積炭)方面與液體推進劑在軌吹除不同，可直接借鑒的工程經(jīng)驗有限.楊晟等［6-7］對潛艇壓載水艙應(yīng)急燃氣吹除過程進行了理論和試驗研究，得到了吹除過程中壓載水艙內(nèi)氣、液體積分數(shù)的變化情況.馬海濤等［8］提出了一種在軌加注用的管路接頭(浮動斷接器)結(jié)構(gòu)形式，管路接頭分為主動端和被動端，主動端插入管具備浮動和密封能力，通過試驗證明了該管路接頭的設(shè)計方案原理可行.李其修等［9］使用流體體積(VOF，volume of fluid)模型計算了高壓氣體吹除壓載水艙過程中氣、液兩相相互作用的過程，結(jié)果表明使用增壓氣體吹除管路系統(tǒng)內(nèi)液體的工作原理是可行的，為推進劑在軌加注管路殘液吹除過程研究提供了參考.

本文使用有限體積法求解N-S方程，使用VOF氣液兩相非穩(wěn)態(tài)模型計算了加注管路吹除過程中管路接頭內(nèi)腔的氣液兩相流場的變化情況，分析了殘液吹除機理，得到了內(nèi)腔中推進劑的殘留情況，為推進劑在軌加注管路接頭內(nèi)腔設(shè)計提供了參考.

1 物理模型和計算方法

1.1 物理模型

圖1所示為加注管路接頭內(nèi)腔吹除過程示意圖.加注管路接頭分為主動端插入管和被動端套筒兩部分，推進劑在軌加注前，主動端插入管在驅(qū)動力作用下完成與被動端套筒的插合，將兩個航天器的加注管路連通.推進劑完成在軌輸送后，加注管路接頭內(nèi)腔充滿推進劑，通過在主動端插入管入口處施加一定壓力的壓縮氣體，將管路接頭內(nèi)腔中的推進劑從被動端管路出口處吹除到宇宙空間.

圖1 加注管路接頭內(nèi)腔吹除過程示意圖Fig.1 Sketch of blowing-off process in the intra-cavity of pipeline connector

1.2 控制方程

本文采用VOF氣液兩相流模型對推進劑在軌加注管路接頭內(nèi)腔殘液吹除過程中的氣、液界面分布情況進行了計算.該模型通過求解流程控制方程和跟蹤計算單元格內(nèi)的每種流體的體積分數(shù)來模擬不同相之間的相互作用.流場質(zhì)量守恒方程如下:

式中，ρq為第q相的密度，aq為第q相的體積分數(shù)，vq為第q相的速度，為從q相到p相的質(zhì)量傳輸，為從p相到q相的質(zhì)量傳輸.主相體積分數(shù)的計算基于如下的約束:

而對于含有多相的流體系統(tǒng)，基于體積分數(shù)平均的流場密度ρ可表示如下:

對于單個流體單元，求得速度場適用于每一相流體，流場動量方程如下所示:

式中，v為當?shù)亓黧w速度，μ為混和物的粘性系數(shù)，g為重力加速度，p為流體單元的壓力.

不同相的流體共用一個能量方程進行求解，如下所示:

式中，keff為有效熱傳導(dǎo)率，E和T分別代表流體單元內(nèi)的能量和溫度.

在VOF模型中，把能量E和溫度T作為質(zhì)量平均的變量來模擬:

式中每一相的Eq通過該相的比熱和流場溫度計算得到.

1.3 計算方法

進行流場計算時，采用有限體積法對流場控制方程進行求解.該方法將計算域劃分成一系列控制體積，每個控制體積內(nèi)的流場參數(shù)使用一個節(jié)點來代表，通過對控制體積作積分來導(dǎo)出離散方程.采用一階迎風(fēng)格式對流場控制方程進行離散，流場計算的主要過程見圖2.使用基于壓力算法的隱式求解器進行求解，湍流模型選用RNGk-ε(renormaliza-tion groupk- ε)模型［10］，壁面附近采用標準壁面函數(shù).

圖2 流場計算主要過程示意圖Fig.2 Sketch of computation process of flow field

為提高計算過程中結(jié)果的穩(wěn)定性，計算的時間步長較小，設(shè)置為10 ms.

2 計算模型

由于推進劑管路和管路接頭內(nèi)腔均為軸對稱結(jié)構(gòu)，本文采用二維軸對稱網(wǎng)格計算在軌吹除過程.整個計算域內(nèi)網(wǎng)格總數(shù)為9 000，通過對多次計算結(jié)果進行對比，表明此網(wǎng)格劃分策略具備較好的無關(guān)性.圖3所示為流場計算域及網(wǎng)格示意圖.管路右側(cè)為壓力入口，左側(cè)為壓力出口，管壁按壁面處理，管路軸線為對稱軸.

管路總長度為10 m，壓力入口總壓為0.5 MPa，壓力出口選在管路末端的內(nèi)部，出口總壓為0.1 MPa.推進劑殘液吹除在軌進行，因此計算中重力加速度g為0 m/s2.本文計算中使用液態(tài)N2O4作為液體工質(zhì)進行仿真，其主要物性參數(shù)見表1.使用的吹除氣體為氮氣(N2)，計算時作為理想氣體.計算初始時刻管路接頭內(nèi)腔和直管路內(nèi)均充滿液態(tài)工質(zhì)，該區(qū)域內(nèi)液體的體積分數(shù)為1.

3 計算結(jié)果及分析

3.1 吹除過程流場分析

圖 4 所示為吹除過程中時間t=0.05、0.1、0.2、1、2 s時刻管路軸線壓力曲線.由圖可知，0.05 s時刻在管道中間位置軸線壓力出現(xiàn)了小幅震蕩，這是因為此時管路接頭內(nèi)腔中的部分液體被吹到管路中，使得吹除初始時刻管路內(nèi)的流場尚未穩(wěn)定，1 s后直管路軸線壓力基本不再變化，表明直管路內(nèi)流場已經(jīng)趨于穩(wěn)定.

圖3 流場計算域及管路接頭內(nèi)腔處網(wǎng)格示意圖Fig.3 Sketch of computation region and mesh of the intra-cavity of pipeline connector

表1 液態(tài)N2O4主要物性參數(shù)Tab.1 Main parameters of liquid N2O4

圖4 吹除過程典型時刻管路軸線壓力曲線Fig.4 Axial pressure at typical time of the straight pipeline during the blowing-off process

圖5所示為管路接頭內(nèi)腔處的流線圖.由圖可知，由于管路內(nèi)氣相流場速度較快，高速氣體在經(jīng)過管路接頭內(nèi)腔時，部分氣體向上進入內(nèi)腔中，氣體遇到壁面阻擋，形成旋渦狀流場，然后再從內(nèi)腔流出進入直管路.受到此漩渦狀氣相流場的影響，管路接頭內(nèi)腔中殘留的液體隨氣體漩渦一起流動，最終被卷入直管路中，然后被入口氣流帶出直管路外部.

圖5 管路接頭內(nèi)腔處流線圖Fig.5 Streamlines of flow field in the intra-cavity of pipeline connector

通過不同時刻速度矢量對比可知，管路接頭內(nèi)腔的漩渦流場在吹除初始時刻便形成，吹除中間時刻由于氣液相互作用，漩渦形狀會呈現(xiàn)一定的不規(guī)則性，吹除末期漩渦狀流場呈穩(wěn)定的形狀.受到管路接頭內(nèi)腔壁面的限制，氣體漩渦未能完全到達內(nèi)腔前、后兩個邊緣角落處.

3.2 吹除過程剩余液體分析

圖6所示為吹除過程中不同時刻內(nèi)腔殘留液體的體積分數(shù)云圖.由圖可知:

1)0～0.1 s，進入管路接頭內(nèi)腔的吹除氣體量相對較少，氣體與液體相互混合，在氣液交界面形成較厚的氣液混合層;

2)0.2 ～0.5 s，隨著吹除氣體不斷進入管路接頭內(nèi)腔，將內(nèi)腔中的液體卷吸入直管路，液體逐步沿著直管道排出，使得管路接頭內(nèi)腔中的液體顯著減少;

3)1～5 s，由于內(nèi)腔中殘留液體量已經(jīng)較少，殘留液體減少的趨勢逐漸變慢.吹除末期，在內(nèi)腔前后兩個角落區(qū)域內(nèi)殘留少量液體，與漩渦狀流線分布情況吻合，表明內(nèi)腔殘液吹除效果良好.其中吹除前方的直角角落殘留液體相對較少，這是由于此區(qū)域與氣流接觸面積相對較多.

圖6 不同時刻內(nèi)腔殘留液體體積分數(shù)云圖Fig.6 Contours of volume fractions of the residual liquid in the intra-cavity of pipeline connector at different time

表2所示為吹除過程中管路接頭內(nèi)腔中殘留液體體積變化情況.由表可知，在前0.5 s內(nèi)殘留液體體積迅速減少，在1 s后殘留液體減少的趨勢變得緩慢.

表2 管路接頭內(nèi)腔中殘留液體體積變化情況Tab.2 Changes of volume of the residual liquid in the intra-cavity of pipeline connector with respect to time

4 結(jié)論

本文使用VOF氣液兩相流模型對推進劑在軌加注管路接頭內(nèi)腔殘液吹除過程進行了計算，基于本文研究對象得到主要結(jié)論如下:

1)吹除初始時刻直管路內(nèi)流場壓力出現(xiàn)小幅震蕩現(xiàn)象，到1 s左右，直管路內(nèi)流場區(qū)域穩(wěn)定.

2)吹除氣體進入管路接頭內(nèi)腔，形成漩渦狀流場將殘液卷吸入直管路中，是內(nèi)腔中殘液得以吹出的主要原因.

3)管路接頭內(nèi)腔中的絕大部分液體可以被吹除出去，僅在內(nèi)腔中兩個角落區(qū)域殘留有少量液體，表明殘液吹除效果良好.

［1］陳小前，袁建平，姚雯，等.航天器在軌服務(wù)技術(shù)［M］.北京:宇航出版社，2009:412-420.

［2］魏延明，潘海林.空間機動服務(wù)平臺在軌補給技術(shù)研究［J］.空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2008，34(2):18-22.WEI Y M，PAN H L.Research on on-orbit refueling of maneuverable platform［J］.Aerospace Control and Application，2008，34(2):18-22.

［3］江銘偉.俄羅斯空間站推進劑補加程序分析［J］.火箭推進，2013，39(4):8-12.JIANG M W.Analysis of propellant refueling program for Russian space station［J］.Journal of Rocket Propulsion，2013，39(4):8-12.

［4］歐陽政芬.某型燃油噴嘴積炭故障研究［C］∥中國航空學(xué)會燃燒與傳熱傳質(zhì)學(xué)術(shù)會議論文集.北京:中國航空學(xué)會，2000:323-327.

［5］王秀蘭，郭成富，王勇.用壓縮空氣吹除加力噴油桿積炭的試驗研究［C］//中國航空學(xué)會燃燒與傳熱傳質(zhì)學(xué)術(shù)會議論文集.北京:中國航空學(xué)會，1998:62-67.

［6］楊晟，余建祖，程棟，等.潛艇應(yīng)急燃氣吹除過程的理論分析及實驗驗證［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2009，35(4):411-416.YANG S，YU J Z，CHENG D，et al.Theoretical analysis and experimental validation on gas jet blowing-off process of submarine emergency［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2009，35(4):411-416.

［7］楊晟，余建祖，程棟，等.潛艇應(yīng)急燃氣吹除過程的數(shù)值仿真及實驗驗證［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2010，32(2):227-230.YANG S，YU J Z，CHENG D，et al.Numerical simulation and experimental validation on gas jet blowing-off process of submarine emergency［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2010，32(2):227-230.

［8］馬海濤，陳健，魏青，等.一種在軌補加用浮動斷接器設(shè)計［J］.火箭推進，2011，37(4):45-49.MA H T，CHEN J，WEI Q，et al.Design of floating coupling for on-orbit resupply［J］.Journal of Rocket Propulsion，2011，37(4):45-49.

［9］李其修，劉輝，吳向君.基于CFD的潛艇高壓氣吹除主壓載水艙系統(tǒng)模擬［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(9):56-60.LI Q X，LIU H，WU X J.The simulation research of high pressure air blowing the main ballast tank based on CFD ［J］.Ship Science and Technology，2012，34(9):56-60.

［10］YAKHOT V，ORSZAG S A.Renormalization group analysis of turbulence:I-basis theory［J］.Journal of Scientific Computing，1986，1(1):1-51.