篩網(wǎng)通道液體獲取裝置壓降模型及試驗研究

劉 暢，肖澤寧，胡聲超，陳 益，韓 露

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；3. 航天材料及工藝研究所，北京，100076）

0 引 言

在空間中，微重力效應會對推進劑貯箱中氣液界面產(chǎn)生影響，表面張力在決定界面位置的因素中占據(jù)主導地位，液體將貼附在貯箱壁面上，氣體則處于液體中間。推進劑傳輸過程中如果出現(xiàn)夾氣現(xiàn)象，輕則會造成發(fā)動機工作不穩(wěn)定，重則將導致發(fā)動機完全失效。為了滿足空間發(fā)動機及在軌推進劑流體傳輸中液體不夾氣的要求，貯箱中需要設置推進劑管理裝置，實現(xiàn)氣液分離及液體獲取。

葉片、海綿、篩網(wǎng)通道3種傳統(tǒng)液體獲取方式在常規(guī)推進劑領(lǐng)域得到了成功應用[1,2]，但應用于低溫推進劑時存在諸多困難。葉片無法滿足大流量供應要求；海綿在橫向及負向過載下極易失效，且對于大型貯箱，海綿質(zhì)量過大；篩網(wǎng)通道液體獲取裝置（Liquid Acquisition Device，LAD）是目前具有較好應用前景的低溫推進劑液體獲取方式，但其機理復雜，存在泡破點低、過網(wǎng)損失大、篩網(wǎng)后液體易蒸發(fā)等技術(shù)難題，目前國內(nèi)外尚無可用的飛行產(chǎn)品，技術(shù)成熟度低[3,4]。

本文以空間發(fā)動機及流體傳輸為應用背景，開展推進劑液體獲取技術(shù)研究，根據(jù)篩網(wǎng)通道式LAD壓降計算模型，進行了不同參數(shù)下篩網(wǎng)通道壓力損失的計算，制定了地面出流試驗方案，對模型計算的準確性進行了驗證。

1 地面過載環(huán)境下篩網(wǎng)通道LAD壓降模型

1.1 篩網(wǎng)通道LAD壓降

無論在地面環(huán)境下還是在空間微重力環(huán)境下，只要篩網(wǎng)兩側(cè)的壓差不超過篩網(wǎng)的泡破壓力，氣體就無法通過篩網(wǎng)，就可以實現(xiàn)氣液分離。因此，對于篩網(wǎng)通道LAD，保證純液相供應的條件為篩網(wǎng)兩側(cè)氣液壓力差應小于篩網(wǎng)的泡破點[5～7]，即：

造成篩網(wǎng)兩側(cè)氣體和液體產(chǎn)生壓力差的因素包括5個方面：液柱壓力、過網(wǎng)局部損失、通道內(nèi)的沿程損失、動壓損失以及其他壓力損失，其他壓力損失主要包括由于振動、推進劑晃動、初始時刻液體沖擊造成篩網(wǎng)孔變形等因素造成的壓力損失，即：

式中ΔPH為通道內(nèi)液柱壓力；ΔPA為篩網(wǎng)過網(wǎng)損失；ΔPF為通道流動摩擦沿程損失；ΔPD為通道流動速度頭損失；ΔPO為其他壓力損失。

考慮地面1g過載條件下，通道垂直放置在貯箱中的情形，液體出流方向向上，如圖1所示。通道截面為矩形。初始時刻，貯箱中充滿液體，通道完全浸沒在液體中，液體通過篩網(wǎng)進入通道并從通道上部流出。當通道完全浸沒在液體中時，篩網(wǎng)被完全濕潤，通道中的流動為單相液體流動。隨著液體不斷出流，貯箱中液面不斷下降，篩網(wǎng)逐漸露出液面，篩網(wǎng)兩側(cè)氣體與液體的壓力差不斷增加，由于表面張力作用，篩網(wǎng)阻止氣體進入通道內(nèi)部，通道中仍然充滿液體。當液面下降至一定程度，篩網(wǎng)兩側(cè)壓差大于篩網(wǎng)的泡破壓后，氣體進入通道，篩網(wǎng)通道LAD失效。

圖1 篩網(wǎng)通道壓力損失示意Fig.1 Pressure Drop of Screen Channel

1.2 液柱壓力

液柱壓力ΔPH與液相、氣相的密度和重力加速度g有關(guān)，通過式（3）計算：

式中ρL為液體的密度；ρG為氣體的密度；g為重力加速度。

1.3 篩網(wǎng)過網(wǎng)損失

篩網(wǎng)過網(wǎng)損失ΔPA為

式中A為篩網(wǎng)粘性修正系數(shù)；μ為設計溫度下液體的動力粘度；ve為推進劑過網(wǎng)速度；B為篩網(wǎng)慣性修正系數(shù)。

式（4）中，過網(wǎng)速度ve是指液體在篩網(wǎng)孔中的流動速度，數(shù)值上和通道內(nèi)液體流速線性相關(guān)。等號右邊，第1項值遠遠大于第2項值，可忽略第2項損失，因此可簡化為

式中C為過網(wǎng)損失修正系數(shù)；v為通道內(nèi)液體的流速。

式（5）中，C與液體過網(wǎng)損失相關(guān)，由篩網(wǎng)的固有結(jié)構(gòu)所決定。可通過流阻試驗，獲得一組流量-流阻試驗數(shù)據(jù)，采取曲線擬合的方法，將系數(shù)C求出。對于不同的試驗介質(zhì)，帶入相應的μ值即可求解過網(wǎng)流阻損失。

1.4 通道流動摩擦沿程損失

通道流動摩擦沿程損失ΔPF與通道內(nèi)液體的雷諾數(shù)、液體流速、液體密度以及通道的幾何尺寸有關(guān)，通過式（6）計算：

式中Re為通道內(nèi)液體的雷諾數(shù)；v為通道內(nèi)液體的流速；ν為液體的運動粘度；d為通道寬度。

1.5 通道流動速度損失

通道流動速度損失ΔPD通過式（7）計算：

式中為通道內(nèi)液體的質(zhì)量流量；W為通道截面的寬度；H為通道截面的長度。

2 計算結(jié)果及分析

根據(jù)上述壓降模型，對篩網(wǎng)通道LAD在地面過載環(huán)境下的壓降進行計算。計算中以水作為介質(zhì)，加速度取為重力加速度。篩網(wǎng)規(guī)格為325×2300荷蘭斜紋網(wǎng)，以此確定篩網(wǎng)過網(wǎng)損失修正系數(shù)。分別計算了不同的篩網(wǎng)露出高度下的各項壓力損失變化情況，圖2為液柱高度不斷增加時各項壓力損失及篩網(wǎng)通道LAD壓降變化情況，表1為不同流量、液柱高度下篩網(wǎng)通道LAD壓降計算結(jié)果，從通道完全浸沒到通道逐漸露出液面，通道露出高度逐漸增大。

圖2 篩網(wǎng)通道LAD壓降隨通道內(nèi)液柱高度變化Fig.2 Pressure Drop of Screen Channel LAD Versus Liquid Column Heights

表1 不同流量、液柱高度下LAD壓降計算結(jié)果Tab.1 Pressure Drop in Different Flow Rates and Column Heights

由圖2和表1可知，篩網(wǎng)通道LAD壓降主要受篩網(wǎng)過網(wǎng)損失和液柱壓力損失影響，速度損失和沿程損失的影響較小，從表1計算結(jié)果來看，在不同流量、不同液柱壓力下，速度損失和沿程損失均遠小于篩網(wǎng)過網(wǎng)損失和液柱壓力損失。篩網(wǎng)過網(wǎng)損失和液柱壓力損失均隨篩網(wǎng)露出高度的增大而增大，液柱壓力與篩網(wǎng)露出高度成正比，而篩網(wǎng)過網(wǎng)損失的增長則隨篩網(wǎng)露出高度的增加而逐漸加快。當篩網(wǎng)露出高度接近篩網(wǎng)總高度時，篩網(wǎng)過網(wǎng)損失將大幅增加，導致篩網(wǎng)通道LAD壓降快速增大，這是由于篩網(wǎng)過網(wǎng)損失與過網(wǎng)速度近似成正比，隨著篩網(wǎng)露出高度不斷增大，介質(zhì)能夠流通的面積不斷減小，而介質(zhì)流量維持不變，因此過網(wǎng)速度不斷增大，特別是介質(zhì)中浸沒的篩網(wǎng)高度較小時，過網(wǎng)速度將快速增大，導致篩網(wǎng)過網(wǎng)損失大幅增加。

不同通道內(nèi)流量下液柱壓力、篩網(wǎng)過網(wǎng)損失計算結(jié)果如圖3所示，不同通道內(nèi)流量下篩網(wǎng)通道LAD壓降計算結(jié)果如圖4所示。過網(wǎng)損失與介質(zhì)過網(wǎng)速度有關(guān)，在篩網(wǎng)完全浸沒的情況下，過網(wǎng)速度和通道內(nèi)流量成正比，因此隨著流量增大，過網(wǎng)損失逐漸增大。液柱壓力不受通道內(nèi)流量影響。

圖3 通道內(nèi)流量對液柱壓力、過網(wǎng)損失的影響Fig.3 Influence of Flow Rates on Pressure Drop of Liquid Column Heights and Screen

圖4 通道內(nèi)流量對篩網(wǎng)通道LAD壓降的影響Fig.4 Influence of Flow Rates on Pressure Drop of Screen Channel LAD

由圖3、4可知，通道內(nèi)流量對LAD壓降影響顯著，實際工程應用中，通道內(nèi)流量取決于發(fā)動機流量或液體傳輸流量、貯箱數(shù)量以及貯箱內(nèi)通道的個數(shù)，為了保證LAD可靠實現(xiàn)氣液分離，需要合理地選取通道內(nèi)流量。降低流量可降低LAD壓降，提高氣液分離可靠性，降低系統(tǒng)流阻，但特定的發(fā)動機流量或液體傳輸流量下，降低通道流量需要通過增加通道數(shù)量和增大篩網(wǎng)面積實現(xiàn)，這會增加系統(tǒng)質(zhì)量，因此需要進行合理的設計。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗系統(tǒng)方案

為驗證地面過載環(huán)境下篩網(wǎng)通道LAD壓降模型的正確性，通過地面環(huán)境下的出流試驗對模型進行驗證。出流試驗采用倒置出流方案，通道出液口位于通道頂部，液體出流方向向上，試驗原理如圖5所示。

圖5 液體獲取裝置出流試驗原理Fig.5 Schematic Diagram of Outflow Test for LAD

采用倒置式出流方案有利于考察通道內(nèi)各項水力壓力損失，為驗證及修正模型提供數(shù)據(jù)支撐[3]。LAD縱向放置在模擬貯箱中，試驗前先潤濕篩網(wǎng)，并使液面沒過篩網(wǎng)，介質(zhì)充填LAD內(nèi)部。通過增壓氣體控制裝置向模擬貯箱增壓，使介質(zhì)以一定流量通過LAD及出流管路流出模擬貯箱，隨著模擬貯箱中液面不斷下降，篩網(wǎng)逐漸露出液面。在模擬貯箱及通道內(nèi)部設置壓力測點，模擬貯箱壓力測點位于模擬貯箱頂部，通道內(nèi)壓力測點位于通道頂部并通過測壓管路引至模擬貯箱外部，試驗前測壓管路需要充滿介質(zhì)。考慮到LAD的壓降特性與介質(zhì)的密度和粘性有關(guān)，因此可用水作為介質(zhì)開展研究，其規(guī)律可拓展至低溫推進劑。

3.2 篩網(wǎng)通道LAD方案

篩網(wǎng)為標準件產(chǎn)品，目前常用的有200×1400和325×2300兩種規(guī)格的不銹鋼荷蘭斜紋網(wǎng)。325×2300規(guī)格篩網(wǎng)等效（最大）孔徑約15 μm，對應的泡破壓（無水乙醇）不小于6000 Pa。水的表面張力約為酒精的3.27倍，因此325×2300規(guī)格篩網(wǎng)用水作為工質(zhì)的泡破壓應不小于19636 Pa。本文試驗中LAD篩網(wǎng)選取325×2300規(guī)格的不銹鋼荷蘭斜紋網(wǎng)，圖6為325×2300規(guī)格篩網(wǎng)在掃描電鏡下的形貌。

圖6 325×2300規(guī)格篩網(wǎng)在掃描電鏡下的形貌Fig.6 Scanning Electron Microscopy Image of a 325×2300 Dutch Twill Screen

篩網(wǎng)通道LAD設計為長方體形式，篩網(wǎng)固定在其中一面，通道截面為長方形，尺寸為50 mm×40 mm，通道壁厚3 mm，材質(zhì)為鋁合金。篩網(wǎng)安裝采用可互換設計，可實現(xiàn)不同規(guī)格篩網(wǎng)試驗。篩網(wǎng)與通道安裝處進行密封設計，保證篩網(wǎng)泡破失效前不泄漏氣體。篩網(wǎng)通道LAD及在模擬貯箱中的安裝照片如圖7所示。由于篩網(wǎng)易受多余物堵塞，影響其流阻，因此試驗前使用優(yōu)于篩網(wǎng)過濾精度的過濾器對試驗介質(zhì)進行多次過濾，保證試驗結(jié)果的正確性。

圖7 篩網(wǎng)通道LAD及安裝Fig.7 Screen Channel LAD and Installation

3.3 試驗結(jié)果分析

圖8為篩網(wǎng)通道LAD在地面1g過載下出流試驗結(jié)果。橫坐標為篩網(wǎng)露出高度，也就是通道內(nèi)部液柱高度。試驗過程中，隨著液體不斷出流，實時記錄模擬貯箱氣枕壓力與通道內(nèi)頂部介質(zhì)的總壓，二者之差即為篩網(wǎng)通道LAD的壓降。由圖8可知，隨著篩網(wǎng)露出高度不斷增大，篩網(wǎng)通道LAD的壓降隨之不斷增大。篩網(wǎng)通道LAD壓降變化速率與篩網(wǎng)露出高度相關(guān)，以流量0.4 kg/s工況為例，篩網(wǎng)露出的初期，篩網(wǎng)通道LAD壓降變化速率較小，篩網(wǎng)露出高度超過400 mm后，篩網(wǎng)通道LAD壓降變化速率顯著增加。

圖8 325×2300篩網(wǎng)不同流量下的試驗結(jié)果Fig.8 Test Result of 325×2300 Screen for Different Flow Rates

圖8中同時給出了本文理論模型的計算結(jié)果，可以看出流量較小時，理論模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合的較好。隨著流量增加，理論模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果之間出現(xiàn)一定偏差，這是通道內(nèi)速度分布的變化造成的。在通道內(nèi)部，沿著出流方向介質(zhì)的流動速度是有一定分布的，在通道底部，也就是通道內(nèi)流動的上游，介質(zhì)流動速度小，而在通道的頂部，也就是流動的下游，隨著液體不斷從篩網(wǎng)進入，由于流量需要守恒，通道截面上介質(zhì)平均流動速度不斷增大。這說明介質(zhì)流動速度在流動方向上存在特定的分布，也就是介質(zhì)的動壓存在沿出流方向的分布，這導致篩網(wǎng)的過網(wǎng)速度在沿出流方向上是不同的，進而過網(wǎng)損失在沿出流方向上也是不同的。隨著篩網(wǎng)露出高度不斷變化，介質(zhì)的動壓分布隨之產(chǎn)生變化，因此過網(wǎng)損失也隨之變化，本文的模型中假設過網(wǎng)速度沿出流方向分布是均勻的，在流量較小時，該假設引入的誤差較小，而當流量增大時，雷諾數(shù)隨之增大，過網(wǎng)損失和速度損失的計算偏差逐漸增大，導致了試驗結(jié)果與理論模型計算結(jié)果之間的偏差。這也是本文模型的后續(xù)改進方向。

4 結(jié) 論

a）對于篩網(wǎng)通道LAD，保證純液相供應的條件為篩網(wǎng)兩側(cè)氣液壓力差應小于篩網(wǎng)的泡破點。篩網(wǎng)兩側(cè)氣液壓力差即篩網(wǎng)通道LAD壓降，造成壓力損失的因素包括液柱壓力損失、篩網(wǎng)過網(wǎng)損失、通道內(nèi)的沿程損失、動壓頭損失以及其他壓力損失，其中主要影響因素為液柱壓力損失和篩網(wǎng)過網(wǎng)損失。

b）在地面環(huán)境下，篩網(wǎng)露出液面后，液柱壓力與篩網(wǎng)露出高度成正比，篩網(wǎng)過網(wǎng)損失主要受過網(wǎng)速度影響，隨著液面降低及浸沒在介質(zhì)中的篩網(wǎng)面積逐漸變小，過網(wǎng)損失顯著增加。

c）試驗結(jié)果與模型計算結(jié)果在小流量下吻合較好，大流量下出現(xiàn)偏差，原因為通道內(nèi)部速度分布的影響變得更為顯著。