篩網(wǎng)LAD 通道液氮?jiǎng)討B(tài)出流性能研究

朱文杰 張瑞平 黃立鈉 邱中華 馬 原

（1 上?？臻g推進(jìn)研究所 上海 201112）

（2 上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心 上海 201112）

（3 西安交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 西安 710049）

1 引 言

低溫推進(jìn)劑具有比沖高、無毒、可重復(fù)使用和現(xiàn)場(chǎng)資源利用等優(yōu)勢(shì),因此在未來深空探測(cè)、機(jī)動(dòng)任務(wù)等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景?？臻g推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)處于微重力狀態(tài),在微重力狀態(tài)下,氣液位置及氣液界面形狀具有很高的不確定性,而貯箱需給下游發(fā)動(dòng)機(jī)提供不夾氣的液體,因此需在貯箱出口設(shè)置帶金屬篩網(wǎng)的管理裝置,利用微重力下篩網(wǎng)液膜的表面張力阻止氣體進(jìn)入下游渦輪泵及發(fā)動(dòng)機(jī)入口。

低溫推進(jìn)劑具有粘度小、表面張力小等特點(diǎn),與常溫推進(jìn)劑N2O4和MMH 及試驗(yàn)測(cè)試介質(zhì)IPA（異丙醇）、無水乙醇等具有較大差異,同時(shí)低溫下篩網(wǎng)金屬絲會(huì)冷收縮,引起篩網(wǎng)孔徑變化,導(dǎo)致分離性能變化,因此低溫推進(jìn)系統(tǒng)的篩網(wǎng)通道LAD（Liquid Acquisition Device）需在低溫下獲得動(dòng)態(tài)傳輸性能參數(shù)并進(jìn)行理論修正。

篩網(wǎng)是保證LAD 性能的關(guān)鍵組件,它的氣液分離性能通過氣體突破液膜產(chǎn)生第一個(gè)氣泡時(shí)的壓差來反映,該壓差也稱為“泡破點(diǎn)”。近20 年來,NASA格林中心在低溫推進(jìn)劑管理項(xiàng)目中研究了篩網(wǎng)在多種低溫流體包括液氮、液氫、液氧和液甲烷的性能。Hartwig 等[1]系統(tǒng)研究了液氫溫區(qū)和液氮溫區(qū)中篩網(wǎng)泡破點(diǎn)及篩網(wǎng)復(fù)合通道的性能,發(fā)現(xiàn)流體過冷度及增壓氣體類型對(duì)泡破點(diǎn)有較大影響,選擇He 氣增壓同時(shí)增大過冷度可以提高篩網(wǎng)泡破點(diǎn),提升氣液分離性能。Jurns 等[2]對(duì)NASA 的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充,研究了圓形、方形和三角形的不同篩孔結(jié)構(gòu)對(duì)泡破點(diǎn)的影響,發(fā)現(xiàn)三角形篩孔比圓形和方形微孔性能更好。Kudlac[3]等研究了多種低溫流體中200×1 400 篩網(wǎng)通道LAD 的動(dòng)態(tài)出流特性,對(duì)流體過網(wǎng)流阻的模型進(jìn)行修正,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在地面1 g 條件下,酒精的液柱靜壓壓損比過網(wǎng)流阻壓損高7.7 倍而低溫流體的靜態(tài)水力壓損是過網(wǎng)流阻壓損的14 倍。因?yàn)榱鲃?dòng)過程的壓損決定了篩網(wǎng)通道LAD 在微重力下工作的設(shè)計(jì)裕度,同時(shí)不同編織細(xì)度的篩網(wǎng)具有不同的泡破點(diǎn)和流動(dòng)特性,所以需低溫流體的流動(dòng)特性進(jìn)行深入研究,為低溫貯箱管理裝置PMD（Propellant Management Device）的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。中國(guó)針對(duì)低溫推進(jìn)劑的貯箱管理裝置研究較少,馬原[4-5]等對(duì)國(guó)外低溫推進(jìn)劑篩網(wǎng)通道式液體獲取裝置的研究進(jìn)行了總結(jié)。研究了不同篩網(wǎng)編織密度、不同過熱度及重力狀態(tài)對(duì)飽和液氫芯吸速度和芯吸高度的影響[6-7]。篩網(wǎng)在低溫推進(jìn)劑中的分離與流動(dòng)性能目前國(guó)內(nèi)尚未開展研究,而篩網(wǎng)在不同低溫流體中的泡破點(diǎn)及過網(wǎng)流阻等基礎(chǔ)參數(shù)是進(jìn)行低溫貯箱研究與設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)、加工了覆蓋篩網(wǎng)的圓管通道并通過可視化實(shí)驗(yàn),基于325×2 300Dutch Twill 型篩網(wǎng)復(fù)合通道進(jìn)行了液氮自增壓動(dòng)態(tài)出流試驗(yàn),對(duì)流動(dòng)中靜態(tài)水力壓損與流體過網(wǎng)壓損進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)原理

篩網(wǎng)通道LAD 是微重力推進(jìn)劑管理裝置PMD中的一種,主要利用通道表面篩網(wǎng)的毛細(xì)作用力及表面張力來吸取液體后,在篩網(wǎng)表面形成阻隔氣體的液膜,其經(jīng)典結(jié)構(gòu)如圖1 所示。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的研究,目前常用的LAD 裝置已成熟應(yīng)用于使用常溫推進(jìn)劑（N2O4和MMH）的空間姿軌控系統(tǒng)[10]。

圖1 貯箱內(nèi)篩網(wǎng)通道式LAD 結(jié)構(gòu)Fig.1 LAD structure inside the propellant tank

篩網(wǎng)通道式LAD 包括多根貼近貯箱壁面的金屬通道,通道上多個(gè)位置設(shè)置有金屬篩網(wǎng)。金屬篩網(wǎng)通過編織的金屬絲形成微米級(jí)通道,電鏡下的金屬篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2,通道內(nèi)的液體在通道表面篩網(wǎng)上形成液膜,液體可以通過篩孔的毛細(xì)力吸入并穿過篩網(wǎng),液膜的表面張力提供的局部壓力使得氣體則被阻擋在通道外。其中篩網(wǎng)的氣體攔阻性能可以通過泡破點(diǎn)（Bubble Point）實(shí)驗(yàn)來獲得氣體突破篩網(wǎng)形成的液膜時(shí)篩網(wǎng)兩側(cè)的壓差ΔPbp。篩網(wǎng)與通道復(fù)合后,其性能可通過動(dòng)態(tài)出流實(shí)驗(yàn)（Outflow Test）所獲得液柱靜壓壓損（head pressure）及過網(wǎng)壓降（flow through screen pressure）來表征。篩網(wǎng)通道工作時(shí),增壓氣體擠壓液體,液體通過篩網(wǎng)流進(jìn)通道后,自通道出口排出。篩網(wǎng)通道在1 g地面條件下工作時(shí),液體倒排的壓損包括液柱靜壓差ΔPhydro、過網(wǎng)流阻ΔPFTS、管道流阻ΔPfriction、動(dòng)能損失ΔPdynamic及其他損失ΔPother。

圖2 200×1 400 Dutch Twill 型篩網(wǎng)掃描電鏡圖Fig.2 SEM of 200×1 400 Dutch Twill mesh

在地面1g流動(dòng)過程中,ΔPfriction、ΔPdynamic和ΔPother相比靜壓差ΔPhydro及過網(wǎng)流阻ΔPFTS相比可忽略不計(jì),所以壓損主要是液柱靜壓差ΔPhydro和過網(wǎng)流阻ΔPFTS,即:

這兩部分壓力損失之和不能大于泡破點(diǎn)的壓力,否則增壓氣體會(huì)突破篩網(wǎng)液膜進(jìn)入液體通道中,向下游排出夾氣的液體;突破后若液膜不能重新建立,氣體通過篩網(wǎng)與出口短路,形成氣體排放通道,阻礙液體繼續(xù)排出。

實(shí)驗(yàn)過程中,裝置充分冷卻后的穩(wěn)態(tài)漏熱量引起液氮汽化,在玻璃杜瓦內(nèi)發(fā)生自增壓,擠壓液體通過篩網(wǎng)通道LAD 出口排出。篩網(wǎng)通道LAD 最初浸沒在液體中,隨著排出過程的進(jìn)行,液面下降,增壓氣體接觸篩網(wǎng)。通常增壓氣體的泡破位置發(fā)生在通道的出口篩網(wǎng)處,發(fā)生泡破時(shí)的壓力損失為:

對(duì)于Dutch Twill 型編織的篩網(wǎng),流體正面流過篩網(wǎng)時(shí)的過網(wǎng)流阻模型為:

式中:u為流動(dòng)速度,m/s;μ為流體粘度,Pa/s;ρ為流體的密度,kg/m3;A、B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),與篩網(wǎng)有關(guān)。

圖3 篩網(wǎng)復(fù)合通道動(dòng)態(tài)出流示意圖Fig.3 Sketch of the outflow test for mesh combined LAD channel

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

篩網(wǎng)通道芯吸試驗(yàn)采用325×2 300Dutch Twill型編織的不銹鋼篩網(wǎng),包覆于鈦合金管之上,構(gòu)造了兩根用于倒排的篩網(wǎng)通道LAD,如圖4 所示。兩種篩網(wǎng)先用酒精測(cè)試其泡破點(diǎn)均為6 100 Pa,酒精泡破點(diǎn)的測(cè)試證明其篩網(wǎng)的性能良好,沒有制造與焊接缺陷,可以進(jìn)行低溫流體中的測(cè)試。

圖4 篩網(wǎng)圓管通道LADFig.4 Circular section LAD channel combined with mesh

為了滿足排放試驗(yàn)系統(tǒng)的可視性要求采用內(nèi)徑180 mm,高度350 mm 的雙層真空玻璃杜瓦作為液氮盛放容器,下部墊有海綿隔熱減少導(dǎo)熱漏熱。玻璃杜瓦上方設(shè)置氟塑料蓋板和密封結(jié)構(gòu),蓋板上設(shè)有加注口和通道排放口,如圖5 所示。因?yàn)橥ǖ繪AD 上部連接到氟塑料蓋板上,因此篩網(wǎng)浸潤(rùn)高度可通過玻璃杜瓦高度與玻璃杜瓦中液面高度之差來獲得。

圖5 玻璃杜瓦容器及蓋板密封Fig.5 Glass dewar with sealed cover plate

排放試驗(yàn)有自增壓排放和外部增壓氣體排放兩種增壓排放方式,其差異在于用常溫增壓氣體排放會(huì)帶入熱量,在篩網(wǎng)表面給氣液界面帶來蒸發(fā),熱量過多可能導(dǎo)致金屬篩網(wǎng)表面液膜破裂。自增壓排放依靠容器漏熱引起的低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)增壓,此過程不會(huì)引入大量熱量,氣液界面處于熱平衡狀態(tài),不會(huì)影響金屬篩網(wǎng)表面的液膜性能。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括自增壓液氮杜瓦、連接管道、玻璃杜瓦容器及測(cè)量裝置,如圖6 所示。

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of experiment system

4 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用液氮對(duì)玻璃杜瓦容器進(jìn)行預(yù)冷,充分冷卻后向容器中通過一支覆有325×2 300 篩網(wǎng)的通道加入液氮,減少加注中氣相的擾動(dòng),加注的液氮量應(yīng)漫過LAD 通道有篩網(wǎng)部分10 cm 以上。

（2）玻璃杜瓦容器產(chǎn)生自增壓時(shí),上方氣墊向下擠壓液體,液體從另一支325×2 300 篩網(wǎng)通道LAD頂部排出。

（3）觀察排出液體的狀態(tài),當(dāng)出液管能夠持續(xù)排液時(shí),說明LAD 液膜未被破壞;當(dāng)出液管停止出液時(shí),說明LAD 發(fā)生泡破,記錄此時(shí)的液柱高度。

圖7 試驗(yàn)排放過程Fig.7 Discharge progress in experiment

5 結(jié)果分析

Kudlac M T 的研究[2]給出了低溫流體的泡破點(diǎn)的理論模型計(jì)算與實(shí)測(cè)值,如表1 所示。

表1 常溫流體與低溫流體泡破點(diǎn)相關(guān)參數(shù)對(duì)比Table 1 Parameter comparison of bubble point between room-temperature and cryogenic liquids

以上泡破點(diǎn)數(shù)據(jù)是基于泡破點(diǎn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置采用圓網(wǎng)片測(cè)試得到。而LAD 實(shí)驗(yàn)中所用200×1 400篩網(wǎng)通道排放性能測(cè)試獲得的液柱靜壓差ΔPhydro和過網(wǎng)流阻ΔPFTS如表2 所示。

表2 200×1 400 篩網(wǎng)流動(dòng)參數(shù)Table 2 Flow parameter of 200×1 400 mesh

由表2 可以看出,流量對(duì)靜壓差的影響為4%,低于流量在0.07 kg/s 時(shí)的3 次實(shí)驗(yàn)之間的誤差11%,因此可以忽略流量變化對(duì)靜壓差的影響,分別對(duì)過網(wǎng)壓差和靜壓差取平均值,如表3 所示。

表3 200×1 400 篩網(wǎng)壓力損失構(gòu)成Table 3 Pressure loss components of 200×1 400 mesh

Kudlac M T 的研究中,靜壓差與過網(wǎng)壓差之和小于He 增壓的圓網(wǎng)片泡破點(diǎn)數(shù)據(jù),可能的原因是網(wǎng)片與通道焊接之后的熱應(yīng)力拉伸會(huì)導(dǎo)致一定程度的泡破性能下降,這在常溫推進(jìn)劑的試驗(yàn)中較為普遍,但每次焊接后的實(shí)測(cè)值與理論值差異與工藝直接相關(guān)。

根據(jù)式（4）,結(jié)合200×1 400 和325×2 300 篩網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)A、B,假設(shè)接近泡破時(shí)的流速相同時(shí),計(jì)算得到325×2 300 篩網(wǎng)的過網(wǎng)壓降為94.57 Pa。本次動(dòng)態(tài)出流實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到325×2 300 篩網(wǎng)通道LAD 的液柱高度為280 mm,計(jì)算靜壓差為2 222.64 Pa,如表4 所示。

表4 325×2 300 篩網(wǎng)壓力損失構(gòu)成Table 4 Pressure loss components of 325×2 300 mesh

可以看出,因?yàn)?25×2 300 篩網(wǎng)更加致密,液體潤(rùn)濕篩網(wǎng)表面形成液膜后,氣體突破液膜的阻力進(jìn)一步提高,泡破點(diǎn)因此增加,而泡破點(diǎn)的提高能夠支撐更大的靜壓差。隨著篩網(wǎng)致密性的提高,篩孔的孔徑減小,突破泡破點(diǎn)后,液氮流過325×2 300 篩網(wǎng)的壓損較200×1 400 高。

根據(jù)Hartwig J W 的研究[11],低溫流體中He 增壓的泡破點(diǎn)比同溫度下自增壓的泡破點(diǎn)高,如圖8 所示,325×2 300 篩網(wǎng)在液氮中采用He 氣增壓比自增壓泡破點(diǎn)高,是本次實(shí)驗(yàn)中壓損低于文獻(xiàn)中He 增壓泡破點(diǎn)300 Pa 的主要原因。其次,玻璃杜瓦冷透后,漏熱量保持穩(wěn)定,漏熱量引起的液氮自增壓速率略有不足,排放后期增壓氣體的壓力有所下降。

圖8 不同增壓氣體下325×2 300 篩網(wǎng)液氮泡破點(diǎn)[11]Fig.8 Bubble point of 325×2 300 mesh in liquid nitrogen under different pressurants

6 總 結(jié)

設(shè)計(jì)并搭建了便于快速檢測(cè)的可視化的低溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)篩網(wǎng)通道LAD 在液氮中的自增壓動(dòng)態(tài)出流特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明:

（1）LAD 通過毛細(xì)力及表面張力的作用,充分浸潤(rùn)后形成液膜,對(duì)氣相進(jìn)行阻隔。在自增壓形成的微過冷狀態(tài)下,篩網(wǎng)通道LAD 表面形成的液膜可以保證一定條件下的不夾氣排放,該裝置可以用于低溫推進(jìn)系統(tǒng)。

（2）325×2 300 篩網(wǎng)在液氮?jiǎng)討B(tài)出流時(shí),靜態(tài)壓損為280 mm 的液柱高度,即2 222.64 Pa。篩網(wǎng)越致密,氣體突破液膜的阻力越大,因此325×2 300 篩網(wǎng)比200×1 400 所能支撐的靜壓損更大,但同時(shí)液體流過篩網(wǎng)的過網(wǎng)壓損也相應(yīng)增大。

（3）篩網(wǎng)在焊接等其他加工中可能導(dǎo)致微小的變形,表現(xiàn)為泡破點(diǎn)的下降。而增壓方式的不同也會(huì)影響低溫流體的泡破點(diǎn)及動(dòng)態(tài)出流時(shí)的最大靜壓損,因此在LAD 實(shí)驗(yàn)前需針對(duì)具體結(jié)構(gòu),通過泡破點(diǎn)測(cè)試來標(biāo)定。