多孔板泡破點(diǎn)試驗(yàn)研究

寧繼榮，蘇志一，張 濤

(1. 西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安710100；2. 蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

多孔板泡破點(diǎn)試驗(yàn)研究

寧繼榮1，蘇志一1，張 濤2

(1. 西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安710100；2. 蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

根據(jù)研制背景需求，開(kāi)展了多孔板泡破點(diǎn)特性研究。對(duì)多孔板泡破點(diǎn)理論分析方法進(jìn)行說(shuō)明，并采取不同孔徑多孔板進(jìn)行了不同介質(zhì)泡破點(diǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，各相關(guān)因素對(duì)泡破點(diǎn)的影響與理論分析一致，實(shí)際測(cè)試值和理論計(jì)算值誤差在±15%以?xún)?nèi)，可滿(mǎn)足工程應(yīng)用需求。多孔板可作為毛細(xì)元件應(yīng)用于表面張力貯箱設(shè)計(jì)。

多孔板；泡破點(diǎn)；試驗(yàn)；理論分析

0 引言

表面張力推進(jìn)劑管理裝置利用液體與毛細(xì)元件或板片相接觸的表面張力作用維持液、氣分離，具有無(wú)活動(dòng)部件，可靠性高，相容性好，結(jié)構(gòu)重量輕，可重復(fù)使用等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于各種軌道飛行器的推進(jìn)劑管理[1]。表面張力推進(jìn)劑管理裝置形式多樣，包括通道、板片、槽、海綿、起動(dòng)籃及其各種組合[2-5]，按照基本原理不同可分為一代篩網(wǎng)式表面張力貯箱和二代板式表面張力貯箱[6-7]。篩網(wǎng)式表面張力貯箱采用篩網(wǎng)作為毛細(xì)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)氣液隔離。不銹鋼篩網(wǎng)由于拉絲及編制工藝性好，可實(shí)現(xiàn)精密篩網(wǎng)加工，一直以來(lái)廣泛應(yīng)用于表面張力貯箱，但存在與鋁合金、鈦合金等貯箱殼體材料異種金屬焊接問(wèn)題。隨著貯箱減重要求日益苛刻，需尋求鋁篩網(wǎng)、鈦篩網(wǎng)、多孔板等不銹鋼篩網(wǎng)的替代品。在金屬薄板上采用機(jī)加、激光打孔等方式形成多孔板，具有材料不受限制、泡破點(diǎn)及流阻參數(shù)一致性好等優(yōu)點(diǎn)。尤其隨著試驗(yàn)及飛行數(shù)據(jù)的積累，以及CFD仿真技術(shù)的提高，產(chǎn)品精細(xì)化設(shè)計(jì)逐漸得到重視，采用多孔板代替不銹鋼篩網(wǎng)是未來(lái)表面張力貯箱毛細(xì)元件發(fā)展的一個(gè)重要方向。作為貯箱毛細(xì)元件使用，泡破點(diǎn)是多孔板的重要特性，本文對(duì)多孔板泡破點(diǎn)開(kāi)展了試驗(yàn)研究，為多孔板在表面張力貯箱上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 毛細(xì)元件泡破點(diǎn)理論分析及試驗(yàn)方法

由于分子間作用力，任何曲面形狀的氣液界面都存在著一定壓差。界面上任何一點(diǎn)的毛細(xì)壓差可以表示為如下形式[8]：

(1)

式中：σ為液體的表面張力；如圖1所示，R1和R2為界面上給定點(diǎn)A的曲率半徑，R1和R2位于兩個(gè)相互垂直的面。

(2)

表面張力貯箱依靠設(shè)置在其內(nèi)部的推進(jìn)劑管理裝置實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑蓄留及定向供應(yīng)，篩網(wǎng)或多孔板等毛細(xì)元件是推進(jìn)劑管理裝置發(fā)揮作用的核心單元，主要依靠表面張力作用下氣液界面可維持的壓差來(lái)進(jìn)行工作。該壓差可以依據(jù)公式(2)進(jìn)行理論計(jì)算，但通常由試驗(yàn)來(lái)確定。

進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，毛細(xì)元件表面覆蓋少量液體，從另一面通氣，第一個(gè)氣泡逸出時(shí)氣液兩面壓差即為所求值，該壓差稱(chēng)為泡破點(diǎn)。

2 多孔板泡破點(diǎn)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)產(chǎn)品

依據(jù)表1尺寸生產(chǎn)5種多孔板，壁厚0.5 mm，孔為圓形，材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，每種規(guī)格多孔板生產(chǎn)3件，編號(hào)分別為1#、2#和3#。

表1 5種多孔板結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Structure dimensions of five kinds of perforated plates

2.2 試驗(yàn)介質(zhì)

分別進(jìn)行無(wú)水乙醇、異丙醇及蒸餾水三種介質(zhì)多孔板泡破點(diǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)對(duì)介質(zhì)溫度進(jìn)行了測(cè)量，約為25℃。根據(jù)測(cè)量溫度對(duì)介質(zhì)泡破點(diǎn)的理論值進(jìn)行了計(jì)算，取25 ℃下介質(zhì)的表面張力值，水表面張力約為72.2×10-3N/m[8]；無(wú)水乙醇表面張力約為22×10-3N/m[9]；異丙醇表面張力約為21×10-3N/m；三種介質(zhì)均為浸潤(rùn)型液體，與不銹鋼接觸角取0°。

2.3 試驗(yàn)系統(tǒng)及問(wèn)題說(shuō)明

泡破點(diǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，其中壓力表對(duì)氣源壓力進(jìn)行測(cè)量，智能壓力數(shù)顯表對(duì)泡破點(diǎn)值進(jìn)行顯示。智能壓力數(shù)顯表量程為10 000 Pa，測(cè)量誤差為±20 Pa。

多孔板采用如圖4所示裝配密封結(jié)構(gòu)。上端覆蓋液體，下端通氣進(jìn)行泡破點(diǎn)試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

1)進(jìn)行泡破點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)，如果將多孔板全部沒(méi)入介質(zhì)中，由于多孔板孔徑較大，介質(zhì)會(huì)在重力作用下通過(guò)多孔板進(jìn)入管路，介質(zhì)的波動(dòng)很大程度影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。為了確保試驗(yàn)的進(jìn)行，采取以下方式：將少量介質(zhì)置入多孔板上部的小容腔內(nèi)，隨即開(kāi)始通氣測(cè)試，避免過(guò)多液體穿過(guò)多孔板進(jìn)入試驗(yàn)管路。

2)蒸餾水表面張力較大，5種規(guī)格的多孔板泡破點(diǎn)試驗(yàn)均可以依據(jù)第1)條方法正常進(jìn)行。

無(wú)水乙醇和異丙醇表面張力較小，Ф0.4和Ф0.7兩種規(guī)格的多孔板試驗(yàn)依據(jù)第1)條方法進(jìn)行；對(duì)于Ф1多孔板，一旦通氣，多孔板就有氣體逸出，采取如下試驗(yàn)方法：降低通氣壓力，到某一臨界點(diǎn)，氣體不再逸出，取該臨界點(diǎn)壓力值為泡破點(diǎn)。Ф1.3和Ф1.5多孔板一旦置于介質(zhì)中或者將介質(zhì)置于多孔板上部容腔，介質(zhì)均在重力作用下沉入多孔板，氣體逸出，不能測(cè)出泡破點(diǎn)。

3)對(duì)于多孔板泡破點(diǎn)試驗(yàn)，所有孔孔徑大小一致，氣泡逸出時(shí)，從所有的孔同時(shí)有氣泡逸出。不同于篩網(wǎng)泡破時(shí)，氣泡從孔徑最大處以細(xì)絲狀逸出。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

依據(jù)公式(2)，帶入相關(guān)值，計(jì)算得到不同多孔板不同介質(zhì)泡破點(diǎn)理論值,如表2所示。表3～表5列出了不同介質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果及其與理論值的偏差分析。同一件產(chǎn)品進(jìn)行3次測(cè)量，取3次測(cè)量平均值為最終泡破點(diǎn)值。

表2 泡破點(diǎn)理論值Tab.2 Theoretical values of bubble point

分析表3～表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)：

1)對(duì)于蒸餾水介質(zhì)，泡破點(diǎn)試驗(yàn)值與理論值的偏差在-12%～+11%以?xún)?nèi)；從整體看，剔除個(gè)別偏差較大數(shù)據(jù)，試驗(yàn)值與理論值偏差在-5%～+5.7%以?xún)?nèi)。

2)對(duì)于無(wú)水乙醇和異丙醇介質(zhì)，剔除個(gè)別異常數(shù)據(jù)，Ф0.4和Ф0.7多孔板泡破點(diǎn)試驗(yàn)值與理論值的偏差在0～+14.2%以?xún)?nèi)；Ф1多孔板泡破點(diǎn)試驗(yàn)值與理論值的偏差為-37%～-25%。

表3 蒸餾水泡破點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test result of bubble point of distilled water

表4 無(wú)水乙醇泡破點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test result of bubble point of absolute ethyl alcohol

表5 異丙醇泡破點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，蒸餾水由于其表面張力較大，在現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備及重力場(chǎng)條件下，能夠確保5種不同規(guī)格多孔板試驗(yàn)均正常進(jìn)行。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值偏差在±12%以?xún)?nèi)，二者一致性較好；異丙醇和無(wú)水乙醇表面張力較小，Ф0.4和Ф0.7多孔板泡破點(diǎn)試驗(yàn)值與理論值的偏差在±15%以?xún)?nèi)，一致性程度較好；試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的可信度。異丙醇和無(wú)水乙醇Ф1多孔板泡破點(diǎn)試驗(yàn)值與理論值的偏差為-37%～-25%，二者差異較大，分析認(rèn)為，主要原因?yàn)橘|(zhì)量力與表面張力比值較大，以及在重力場(chǎng)中進(jìn)行試驗(yàn)固有的干擾因素，該試驗(yàn)數(shù)據(jù)不可信，現(xiàn)有試驗(yàn)方法不適用于低泡破點(diǎn)測(cè)量，一定程度上也意味著較大孔徑的多孔板作為毛細(xì)元件應(yīng)用存在問(wèn)題。

從工程應(yīng)用的角度考慮，包容測(cè)量系統(tǒng)的偏差，可認(rèn)為多孔板泡破點(diǎn)試驗(yàn)值和理論值的偏差在±15%以?xún)?nèi)。

4 結(jié)論

1)多孔板所有孔徑大小一致，泡破點(diǎn)試驗(yàn)氣泡逸出時(shí)，氣泡同時(shí)從各個(gè)孔中同時(shí)逸出；

2)孔徑越小，表面張力越大，泡破點(diǎn)值越大，與理論公式分析相一致；

3)多孔板泡破點(diǎn)試驗(yàn)值和理論值偏差在±15%以?xún)?nèi)，可滿(mǎn)足工程應(yīng)用需求。

在顯微鏡下對(duì)本文試驗(yàn)研究采用的多孔板進(jìn)行觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)孔邊緣存在較多的毛刺，可能對(duì)試驗(yàn)值和理論值的一致性存在影響。后續(xù)可采用精細(xì)加工方法開(kāi)展多孔板加工，同時(shí)精確測(cè)量試驗(yàn)介質(zhì)的物性參數(shù)，優(yōu)化試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)一步開(kāi)展理論分析和試驗(yàn)對(duì)比研究，以減小二者之間的偏差，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用精細(xì)化設(shè)計(jì)。

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Test research on bubble point of perforated plate

NING Jirong1， SU Zhiyi1， ZHANG Tao2

(1. Xi’an Aerospace Propulsion Institute， Xi’an 710100， China； 2. Lanzhou Institute of Space Technology and Physics， Lanzhou 730000， China)

The bubble point character of the perforated plate was explored according to the mission demand. The theoretical analysis method for the bubble point of the perforated plate was expounded. A bubble point test of three kinds of liquids was carried out with several perforated plates with different pore diameters. The test result shows that the influence of the concerned factors on the bubble point is in conformity with that of the theoretical analysis， and the error between the actual test value and the theoretically-calculated value is within ±15%， which can meet the requirement of engineering application. The perforated plate can be used for the surface tension tank as a kind of capillary element.

perforated plate；bubble point；test；theoretical analysis

2017-03-21；

2017-08-11

國(guó)家863項(xiàng)目(2015AA7060210)

寧繼榮(1980—)，男，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

V431-34

A

1672-9374(2017)06-0048-06

(編輯：陳紅霞)