空間變過(guò)載下液氫輸送管內(nèi)氣泡動(dòng)力學(xué)特性仿真研究

王 磊，李江道，耑 銳，王嬌嬌，嚴(yán) 天，厲彥忠

(1.西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系，西安710049； 2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109)

1 引言

低溫推進(jìn)劑具有高比沖、大推力、無(wú)毒無(wú)污染等顯著優(yōu)勢(shì)，將在未來(lái)的空間探測(cè)中發(fā)揮重要作用。 《2016 中國(guó)的航天》白皮書(shū)指出，我國(guó)未來(lái)將繼續(xù)開(kāi)展基于低溫推進(jìn)劑的中型、重型運(yùn)載火箭的研制與技術(shù)開(kāi)發(fā)，并開(kāi)展新型上面級(jí)技術(shù)研究[1]。 上面級(jí)具有多次啟動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間在軌工作、多任務(wù)適應(yīng)等特點(diǎn)，是提高基礎(chǔ)級(jí)火箭運(yùn)載能力和提升任務(wù)適應(yīng)性的有效途徑[2]。 在托舉大載荷方面，低溫上面級(jí)具有先天優(yōu)勢(shì)。 已采用的火箭燃料組合中，液氫/液氧組合具有最高的比沖，其理論真空比沖可達(dá)475 s[3]，遠(yuǎn)超其他燃料組合。 因此，應(yīng)盡早開(kāi)展基于低溫氫氧燃料的上面級(jí)技術(shù)研究，包括服務(wù)于上面級(jí)空間二次點(diǎn)火啟動(dòng)的推進(jìn)劑管理技術(shù)。

低溫上面級(jí)燃料系統(tǒng)在軌期間，空間復(fù)合弱力場(chǎng)環(huán)境與低溫流體特殊物性的共同影響導(dǎo)致低溫流體空間管理面臨極大挑戰(zhàn)。 滑行期間，連接燃料貯箱與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的輸送管內(nèi)部液相靜止，受空間熱侵作用，管內(nèi)液相升溫氣化，有可能在空間點(diǎn)火時(shí)發(fā)生氣液兩相的傳輸，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。 因此，必須采取措施就管內(nèi)可能存在的氣泡進(jìn)行排出操作。 上面級(jí)空間二次點(diǎn)火之前，低溫貯箱的氣液重定位和管路系統(tǒng)的氣泡溢流排出過(guò)程都需要完成氣液兩相分離，而分離效果主要取決于空間管理時(shí)序的設(shè)置。 為此，劉楨等[4-5]開(kāi)展了重定位過(guò)程中推力時(shí)序的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，確保在滿足重定位需求的前提下推進(jìn)劑消耗量最小。 為了捕捉空間正推作用下燃料箱內(nèi)的氣液兩相動(dòng)態(tài)特性，有學(xué)者在數(shù)值方法的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域開(kāi)展了有益的探索，并取得了有價(jià)值的結(jié)果[6]。 關(guān)于微重力下沸騰氣泡動(dòng)力學(xué)特性，研究人員借助各類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并結(jié)合仿真手段開(kāi)展了持續(xù)的研究。齊寶金等[7]利用百米落塔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了不同熱流密度下常溫流體FC-72 短時(shí)微重力池沸騰實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣泡在微重力下停留在加熱面的時(shí)間大幅度延長(zhǎng)，氣泡脫落直徑相較于常重力工況增大1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)。 楊延杰[8]也借助落塔開(kāi)展了低溫流體微重力沸騰氣泡動(dòng)力學(xué)可視化實(shí)驗(yàn)研究。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微重力下由于沸騰氣泡的碰撞聚合，氣泡脫離直徑顯著增大，脫離時(shí)間顯著延長(zhǎng)。 趙建福等[9-10]實(shí)驗(yàn)研究了微重力下細(xì)絲加熱器表面的氣泡特性，觀測(cè)到3 個(gè)不同尺度的氣泡脫落直徑，并指出微重力下Marangoni 效應(yīng)對(duì)氣泡行為的影響凸顯。 馬原等[11]通過(guò)受力分析，關(guān)注了低溫流體在微重力下的沸騰氣泡脫落特性，且發(fā)現(xiàn)提高氫的過(guò)冷度會(huì)造成脫落直徑增大。 也有學(xué)者采用CFD 仿真手段就氣泡動(dòng)力學(xué)特性開(kāi)展了數(shù)值仿真：劉亦鵬[12]采用VOF 方法就靜止液氮中單個(gè)Taylor 氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程開(kāi)展了數(shù)值模擬；Tai[13]采用Sharp Interface 法捕捉氣液界面動(dòng)態(tài)變化，數(shù)值仿真了管內(nèi)環(huán)狀流的氣液兩相流特征；Ma 等[14]采用洛茲-格爾茲曼法研究了帶相變的氣液兩相熱質(zhì)傳遞規(guī)律，并揭示了重力對(duì)流體沸騰曲線的影響。

圖1 液氫輸送系統(tǒng)Fig.1 Liquid hydrogen delivery system

由上可知，關(guān)于微重力下低溫推進(jìn)劑空間氣液重定位過(guò)程，研究人員在前期主要針對(duì)貯箱內(nèi)的氣液重定位過(guò)程開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)與仿真研究，而關(guān)于輸送管路內(nèi)的氣泡處理，尚未見(jiàn)文獻(xiàn)介紹。 關(guān)于管內(nèi)氣泡的動(dòng)力特性，學(xué)者們主要關(guān)注了沸騰氣泡的生成過(guò)程，尚未涉及空間變過(guò)載下低溫氣泡的運(yùn)動(dòng)特性。 空間環(huán)境的特殊性使得很難在地面開(kāi)展涉及輸送管內(nèi)部?jī)上嗔鞴芾淼膶?shí)驗(yàn)研究。為此，本文將借助CFD 仿真手段，以液氫輸送管在微重力下氣泡的生成與排出過(guò)程開(kāi)展仿真研究，以期為低溫上面級(jí)空間流體管理技術(shù)、時(shí)序設(shè)置等提供理論支持。

2 研究對(duì)象

本文所關(guān)注的上面級(jí)液氫輸送系統(tǒng)如圖1 所示。 液氫燃料自貯箱底部中心位置引出，通過(guò)一豎直總管后，再由三通結(jié)構(gòu)分流成相等的兩股流，并分別向兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)供液，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 氫輸送管參數(shù)Table 1 The parameters of hydrogen pipeline

3 模型構(gòu)建

采用CFD 仿真手段研究低溫管路內(nèi)相變氣泡的生成及動(dòng)力學(xué)特性存在極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，難點(diǎn)主要體現(xiàn)在如何在同一模型平臺(tái)上展示單個(gè)氣泡的動(dòng)力學(xué)特性與氣液兩相分布的宏觀場(chǎng)分布。另外，氣泡特性也受制于多種因素的耦合作用，包括流體物性、熱力學(xué)場(chǎng)分布、受力關(guān)系等。 本文研究目的在于揭示微重力下管內(nèi)氣液兩相分布與排出氣泡的方案是否可行。 模型簡(jiǎn)化時(shí)，考慮到計(jì)算成本等因素，并且二維仿真技術(shù)在沸騰氣泡仿真領(lǐng)域的有效性已得到了一定的認(rèn)可，為了簡(jiǎn)化分析，將針對(duì)氫輸送管路建立二維模型開(kāi)展計(jì)算仿真，建立的網(wǎng)格模型如圖2 所示。 由圖可知，整個(gè)計(jì)算區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，從而保證計(jì)算精度。 需要說(shuō)明的是，本文所建模型的預(yù)測(cè)結(jié)果可以從趨勢(shì)上反應(yīng)氣液兩相流的相關(guān)規(guī)律，但具體數(shù)值有所偏差，更精確的結(jié)果有賴于未來(lái)開(kāi)展三維瞬態(tài)仿真來(lái)反應(yīng)。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh display

本研究將借助Fluent 商業(yè)軟件開(kāi)展計(jì)算仿真，構(gòu)建CFD 模型中，氣液相分布與氣泡運(yùn)動(dòng)特性通過(guò)VOF 多相流模型來(lái)捕捉。 選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型考慮管內(nèi)的湍流效應(yīng)，并采用壁面函數(shù)Enhanced Wall Treatment 處理近壁區(qū)域，該方法對(duì)于近壁區(qū)的網(wǎng)格適應(yīng)性較強(qiáng)，對(duì)網(wǎng)格劃分要求不敏感。

實(shí)際中，當(dāng)輸送管路進(jìn)入零重力滑行階段時(shí)，管內(nèi)液相處于過(guò)冷狀態(tài)。 當(dāng)空間熱侵傳入時(shí)，產(chǎn)生的效果為液相升溫。 對(duì)本文工況而言，裝置已經(jīng)在軌停放了48 h 以上，外界漏熱已足夠使管路內(nèi)液體達(dá)到飽和狀態(tài)。 為了加快計(jì)算進(jìn)程，本文在仿真中假設(shè)初始時(shí)刻管內(nèi)液相均已處于飽和溫度，初始?jí)毫?.4 MPa。 為了準(zhǔn)確模擬液相區(qū)可能發(fā)生的對(duì)流換熱，液相密度采用Boussinesq模型，并考慮溫度對(duì)流體物性的影響。

在微重力條件下，表面張力作用凸顯，因此需要考慮表面張力的影響。 本文采用連續(xù)表面力模型計(jì)算表面張力對(duì)流體界面運(yùn)動(dòng)的作用，該模型將表面張力轉(zhuǎn)化為體積力源項(xiàng)加載至動(dòng)量方程進(jìn)行求解計(jì)算。 接觸角設(shè)置為4°[15]。

仿真中也需要考慮氣液熱質(zhì)傳遞作用的效應(yīng)，可由如下數(shù)學(xué)模型描述相變過(guò)程，且該計(jì)算通過(guò)用戶自定義程序植入CFD 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)T＞Tsat時(shí)，液相蒸發(fā)，如式(1)所示：

當(dāng)T＜Tsat時(shí)，氣相冷凝，如式(2)所示：

伴隨著質(zhì)量轉(zhuǎn)移，能量轉(zhuǎn)移可按式(3)求解：

式中，T 為流體溫度，Tsat為流體飽和溫度，為質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率，氣相到液相的質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率，為液相到氣相的質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率，F(xiàn) 為相變系數(shù)，ρ 為質(zhì)量，α 為體積分?jǐn)?shù)，ifg為氣化潛熱，為能量轉(zhuǎn)移速率，角標(biāo)l 為液相，角標(biāo)v 表示氣相，相變的求解過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

此外，管路壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界。 需要指出，對(duì)停放、小過(guò)載正推工況，模型主管路頂部設(shè)為壓力出口。 對(duì)小流量排放工況，主管路頂部設(shè)為質(zhì)量流量入口，支管底部為壓力出口。 采用定熱流邊界條件，根據(jù)表1 所述絕熱條件，計(jì)算可得漏熱熱流約為2 W/m2。 壓力-速度耦合項(xiàng)選用PISO 算法修正壓力值。 壓力項(xiàng)采用PRESTO!格式離散，體積分?jǐn)?shù)項(xiàng)采用Geo-Reconstruct 格式離散，其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散。 整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)收斂準(zhǔn)則，時(shí)間步長(zhǎng)變化范圍為0.001～0.0001 s。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 零重力氣泡生成

管內(nèi)飽和液氫在2 W/m2熱流持續(xù)作用下沸騰氣泡的生成與分布規(guī)律如圖3 所示。 在初始階段，壁面處發(fā)生相變，生成小氣泡，由于微重力環(huán)境下不存在支配氣泡運(yùn)動(dòng)方向的主控力，在多種弱力綜合作用下，氣泡將隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，彼此發(fā)生碰撞與融合，成長(zhǎng)為大氣泡。 隨著這一過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，氣泡不斷長(zhǎng)大[11]。 在本文所考慮的時(shí)間范圍內(nèi)，最大氣泡尺度可達(dá)到管徑尺度，這與地面工況下的氣泡行為存在較大差異。 不難想象，當(dāng)該過(guò)程發(fā)生于地面常重力時(shí)，氣泡自加熱面生成后，在浮力作用下氣泡上浮溢出，很難形成大尺度的氣泡。 微重力下更易形成大氣泡，且大氣泡的形成主要是通過(guò)小氣泡的聚合作用。 由圖可知，大氣泡均布于整個(gè)輸送管路系統(tǒng)，包括主管、三通與支管。 因此，發(fā)動(dòng)機(jī)二次點(diǎn)火之前，必須確保整個(gè)輸送系統(tǒng)內(nèi)的氣泡被排出，即當(dāng)采用正推沉底時(shí)，必須確保位于底部的氣泡可以從頂部溢出；當(dāng)采用排放技術(shù)時(shí)，必須確保位于頂部的氣泡能夠從底部排出。

4.2 小過(guò)載下氣泡運(yùn)動(dòng)

上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)空間點(diǎn)火前，必須采用各種措施排出輸送系統(tǒng)內(nèi)的氣泡，確保向發(fā)動(dòng)機(jī)的全液供給。 其中，開(kāi)啟正推發(fā)動(dòng)機(jī)提供一定的加速度，實(shí)現(xiàn)燃料系統(tǒng)內(nèi)的氣液分離是一種可靠的措施，并已經(jīng)在上面級(jí)的空間二次點(diǎn)火中獲得了應(yīng)用。對(duì)于這種方案，確定合適的重定位推力與作用時(shí)間是上面級(jí)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，即確定在何種過(guò)載下可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)氣液相的完全分離以及小過(guò)載持續(xù)的時(shí)間。

圖3 零重力下輸送管內(nèi)氫氣泡形成與分布Fig.3 Formation and distribution of hydrogen bubbles in a duct under zero gravity

以圖3 中90 min 停放后氣液相分布作為計(jì)算初始工況，10-2g 過(guò)載水平下管內(nèi)氣液相運(yùn)動(dòng)與分布規(guī)律如圖4 所示。 可以看出，當(dāng)向輸送系統(tǒng)加載10-2g 的持續(xù)過(guò)載后，管內(nèi)氣泡可以向過(guò)載相反的方向溢出，且隨著時(shí)間的持續(xù)，管內(nèi)含氣率逐漸降低。 此外，加載過(guò)載也會(huì)對(duì)管內(nèi)的氣泡形態(tài)產(chǎn)生影響，可以清晰地看出，在10-2g 作用下，大氣泡被撕碎變?yōu)樾馀莶⒈恢饾u排出。 這主要是因?yàn)楣軆?nèi)氣泡的形態(tài)與氣泡的受力關(guān)系密切相關(guān)。 加載過(guò)載后，過(guò)載加速度對(duì)氣泡起支配作用，過(guò)載水平越大，氣泡的平衡直徑越小，因而原有的大氣泡破碎形成新的平衡氣泡。

圖4 10-2g 過(guò)載下管內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)行為(停放90 min 后)Fig.4 Behaviors of hydrogen bubble inside the tube under 10-2g (after 90 min parking)

輸送管內(nèi)整體含氣率隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5 所示。 圖中分別以空間停放30 min、60 min、90 min后的氣液相分布作為初始工況，所加載過(guò)載均為10-2g。 可以看出，在過(guò)載作用下，管內(nèi)氣泡均能順利排出。 雖然初始工況的含氣率存在顯著差異，但氣泡排出時(shí)間差異不大，3 種工況下管內(nèi)氣泡均能在180 s 內(nèi)完全排出。 該結(jié)果似乎證明，空間環(huán)境下輸送管內(nèi)氣泡是否排出主要取決于所加載的過(guò)載水平，排出時(shí)間主要取決于管長(zhǎng)，而與管內(nèi)含氣率無(wú)明顯的依賴關(guān)系。

圖5 10-2g 過(guò)載下管內(nèi)含氣率變化規(guī)律Fig.5 Variation of vapor volume fraction in tube under 10-2g

進(jìn)一步計(jì)算向輸送系統(tǒng)加載10-1g、10-3g 過(guò)載推力下管內(nèi)含氣率的變化規(guī)律，結(jié)果如圖6、圖7 所示。 結(jié)合圖5 可知，3 種過(guò)載水平下，輸送管內(nèi)的氣泡均能順利排出，而與管內(nèi)初始含氣率水平無(wú)關(guān)。 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，所加載的過(guò)載水平越大，氣泡完全排出所需時(shí)間越短。 此外，圖中反應(yīng)含氣率變化的曲線在整體降低的過(guò)程中，存在波動(dòng)，且所加載的過(guò)載越低，曲線的波動(dòng)越顯著。 這是因?yàn)闅馀葑怨苈讽敹说呐懦霾⒎且院愣ǖ乃俣冗M(jìn)行，而是脈動(dòng)式的發(fā)生。 由圖4 可知，氣泡上浮過(guò)程中，沿流動(dòng)方向仍存在著氣泡的分布，只有當(dāng)氣泡自頂部溢出時(shí)才表現(xiàn)為管路整體含氣率的降低。而不同位置的氣泡溢出是間斷發(fā)生的，因此，含氣率的降低也表現(xiàn)出一定的脈動(dòng)性。 當(dāng)所加載的過(guò)載水平越低，這種脈動(dòng)性越明顯，這是由于過(guò)載越低，管內(nèi)氣泡尺度越大，單個(gè)氣泡溢出對(duì)于含氣率的貢獻(xiàn)越顯著。

以30 min 空間停放后的氣液分布為初始條件，分別加載不同的過(guò)載水平，管內(nèi)含氣率隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖8 所示。 經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過(guò)載大于10-3g 時(shí)，氣泡可以上浮，管內(nèi)含氣率可以降低；而當(dāng)過(guò)載小于10-4g 時(shí)，含氣率整體呈上升趨勢(shì)。 該結(jié)果表明，對(duì)于本文研究的對(duì)象，氣泡是否上浮的過(guò)載水平位于10-3g～10-4g 之間，為了實(shí)現(xiàn)有效的排氣，所加載的過(guò)載應(yīng)大于10-3g。

圖6 10-1g 過(guò)載下管內(nèi)含氣率變化規(guī)律Fig.6 Variation of vapor volume fraction in the tube under 10-1g

圖7 10-3g 過(guò)載下管內(nèi)含氣率變化規(guī)律Fig.7 Variation of vapor volume fraction in the tube under 10-3g

圖8 不同過(guò)載下管內(nèi)含氣率變化規(guī)律對(duì)比(空間停放30 min 后)Fig.8 Comparison of vapor volume fractions in the tube under different gravity conditions (after 30 minutes parking)

4.3 液體輸送下氣泡運(yùn)動(dòng)

上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)空間點(diǎn)火前，除了提供小過(guò)載正推使氣液相重定位外，也需要對(duì)輸送管路、發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵開(kāi)展有效預(yù)冷。 空間預(yù)冷時(shí)，低溫貯箱向輸送管路供給過(guò)冷液體，宏觀上表現(xiàn)為管內(nèi)兩相流體的排出置換。 預(yù)冷開(kāi)始時(shí)，若管內(nèi)存在氣泡分布，則在預(yù)冷供液過(guò)程中，兩種作用會(huì)促使管內(nèi)氣泡的消除，包括隨著主流排出管路以及氣泡為過(guò)冷液體冷凝湮滅。 在這一過(guò)程中，供液流量與供液過(guò)冷度的影響對(duì)氣泡的排出具有顯著影響。

3 種不同的供液流量下，輸送管內(nèi)含氣率隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖9 所示。 可以看出，3 種流量下管內(nèi)含氣率均能降低，且供液流量越大，含氣率更快降低至零。 需要注意的是，支配管內(nèi)含氣率降低的機(jī)理存在一定的差異性。 當(dāng)輸送流量為0.4 kg/s 時(shí)，管內(nèi)含氣率可在200 s 內(nèi)降低為零。由圖可知，隨著時(shí)間的持續(xù)，含氣率的降低表現(xiàn)為緩慢降低與快速降低兩種階段，且兩種過(guò)程交替進(jìn)行。 其中，快速降低是由氣泡自管路底部排出所致，而緩慢降低則是由于氣泡的冷凝而發(fā)生。在這種流量條件下，流動(dòng)慣性力對(duì)氣泡的宏觀運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用，氣泡能夠順利排出。 當(dāng)供液流量降低時(shí)，氣泡冷凝作用對(duì)于含氣率降低的貢獻(xiàn)逐漸凸顯。 流量為0.2 kg/s 的工況在1000 s 處存在含氣率的突降。 這是因?yàn)樵谠摃r(shí)刻之前，管內(nèi)三通位置處存在一個(gè)較大的氣泡，由于主流慣性力較小，無(wú)法將該大氣泡排出，僅能借助持續(xù)的冷凝使得氣泡尺度逐漸降低。 當(dāng)氣泡小于某一臨界尺度時(shí)，慣性力才將該氣泡排出，表現(xiàn)為含氣率的瞬時(shí)降低。 當(dāng)供液流量為0.1 kg/s 時(shí)，管內(nèi)含氣率的降低幾乎全部由冷凝所貢獻(xiàn)，表現(xiàn)為管內(nèi)含氣率的緩慢降低。

圖9 不同排放流量下管內(nèi)含氣率變化規(guī)律(空間停放30 min 后)Fig.9 Variation of vapor volume fractions in the pipe under different discharge flow rates (after 30 minutes parking)

冷凝作用對(duì)管內(nèi)含氣率的貢獻(xiàn)與供液流體的過(guò)冷度密切相關(guān)，為此，本文也研究了供液過(guò)冷度的影響，其結(jié)果如圖10 所示。 由圖可以清晰看出，當(dāng)液體來(lái)流無(wú)過(guò)冷時(shí)，管內(nèi)含氣率的降低主要受液體推動(dòng)作用影響。 0.2 kg/s流速作用下，液體推動(dòng)作用較弱，因而含氣率降低緩慢。 在1 K、2 K 過(guò)冷度工況下，300 s 之前，2 工況含氣率降低速率相近，隨后大過(guò)冷度作用凸顯，表現(xiàn)為含氣率的更快降低。 如前所述，開(kāi)始階段，管內(nèi)含氣率的降低主要受液流推動(dòng)作用所支配，而位于三通內(nèi)的較大尺度氣泡很難排出，只有當(dāng)三通內(nèi)的氣泡尺度降低到某臨界值以下時(shí)，液流才能將其擠壓出輸送管路系統(tǒng)。 在氣泡凝結(jié)變小的過(guò)程中，液流過(guò)冷度的作用凸顯，更大的過(guò)冷下氣泡凝結(jié)速率越高，即大過(guò)冷度下凝結(jié)作用造成含氣率降低速率更快，且氣泡更快減小至臨界尺度以下而隨著液流排出輸送管系統(tǒng)。 由上可知，在供液工況下，氣泡是否排出及排出所需時(shí)間與供液流量、供液過(guò)冷度以及氣泡的尺度等均有關(guān)。

圖10 不同流體過(guò)冷度下管內(nèi)含氣率變化規(guī)律(空間停放30 min 后)Fig.10 Variation of vapor volume fractions in the tube under different fluid subcooling (after 30 minutes parking)

5 結(jié)論

1)在空間熱侵持續(xù)作用下，低溫輸送管內(nèi)形成的小氣泡在復(fù)合作用力下隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，碰撞聚合形成大氣泡，氣泡最大可達(dá)管徑尺度，并沿整個(gè)管路分布。

2)提供一定的小過(guò)載正推作用力，管內(nèi)大氣泡破碎為小氣泡，并在浮力作用下自輸送管頂端排出，輸送管內(nèi)氣泡完全排出時(shí)間與初始?xì)馀莩叨?、氣體量幾乎無(wú)關(guān)，而主要受過(guò)載推力影響。

3)存在臨界正推加速度，只有當(dāng)所提供過(guò)載推力大于該臨界值時(shí)，管內(nèi)氣泡才能上??；對(duì)于本文研究對(duì)象，該臨界加速度處于10-3g～10-4g之間。

4)液體小流量排放時(shí)，管內(nèi)含氣率受兩種機(jī)制控制逐漸降低：液流慣性推動(dòng)與氣泡冷凝湮滅；三通處大氣泡不易排出，只有當(dāng)大氣泡受冷凝作用尺度小于某臨界值以下時(shí)，三通處的氣泡才能被動(dòng)排出。

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