高真空液态工质排放多变过程分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国空间技术研究院总体 作者:徐 侃

  短周期任务的航天器,在任务结束后要放掉工质,以减轻重量,提高安全性和可靠性。基于两相混合流动及液体闪蒸、闪蒸波理论,结合压力突降过程液态全氟三乙胺闪蒸试验,对1 /6 g 重力、高真空环境排放流体回路管道内液态全氟三乙胺工质的过程进行分析。结果表明,全氟三乙胺工质向真空排放时会发生闪蒸,回路系统内液体工质的排放时间主要取决于压力排放段、重力辅助排放段和闪蒸波传播段;其中,仅重力辅助排放段依赖于重力,闪蒸波传播段时间最长;试验观测闪蒸波在内径9 mm 塑料管内的传播速度为0.23 m/ s,比Simes - Moreira & Shepherd 简化模型预测结果偏大。

  引言

  越来越多短任务周期的航天器,在任务结束后需要放掉不必要的工质,以减轻重量,提高安全性和可靠性。在轨工质排放属于典型的真空环境中的液体排放问题,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为还涉及液体闪蒸与气液两相临界流动等复杂过程。

  多年来,气液两相临界流得到广泛地关注,并得出了许多预测气液两相临界流动的经验或分析模型。Elias 和Lellouche对相关模型进行了系统评预测模型进行检验,发现模型对不同条件的适用能力依赖于模型所采用的控制方程,及对相界面传递过程的经验关联。对于非等截面和非直管道,加速压降及弯头损失会加剧液体压力的下降,临界流动也有可能发生在出口之前。Celate,Fraser 和Abdelmessih,赵建福,Du等大量实验表明,对于过冷态的水流而言,闪蒸往往发生在靠近出口的地方,两相流动段非常小,可以忽略不计。

  另一方面,闪蒸点压力“过冲”与内部压力相比也可以忽略不计,因此,可将内部高过冷条件下流道内的实际流动简化为单相流动。对于复杂流道,目前尚无公认的预测模型,主要源于难以正确估计相间非平衡效应及流道内局部流动损失和摩擦损失等不确定因素,但可通过对结构和模型简化的方法进行计算和分析。针对复杂结构的流体回路系统,开展模型简化后的工质排放过程数值计算和试验验证,分析全氟三乙胺(N(C2 F5)3 )工质完全排放所需时间,以及排放过程中闪蒸波传播等问题。

  1、工质排放分析模型

  1. 1、几何模型

  对于在月球表面1/6 g 重力的流体回路系统,分析工质排放时,流体回路结构可以依据功能简化为图1 所示,系统高2.7 m,顶部管长12.5 m,底部管道布置一个补偿器,工质排放阀布置在距底部0.5 m高处。管路系统及补偿器内充满液体,工质最初将处于高过冷状态。流体回路系统参数见表1所示。

表1 流体回路各参数

流体回路各参数

流体回路工质排放分析模型简化示意图

图1 流体回路工质排放分析模型简化示意图

1. 顶部管路;2. 补偿器;3. 排放阀

  1. 2、数理模型分析

  图2 给出了流体回路排放过程中流量变化示意图。阶段I、II 对应于补偿器内工质排放,阶段I 为启动阶段,即排放阀开启后形成的管路系统内部液体工质的瞬态启动过程。排放阀开启后,E 点将处于闪蒸状态,也即E 点的压力接近于工质饱和蒸汽压。阶段III 为过渡阶段,此时补偿器内部液体工质几乎完全排出,但管路系统内压力与点E 处压力相比仍远大于系统重位压降,使得排液速率急剧下降,直到顶部管路中的液体工质压力低于饱和值并发生闪蒸。

  阶段IV 为重位压降驱动的管路排放过程,此时,顶部管路中的液体工质压力因重力的影响最低,因此最先达到过热并且在整个管路系统中过热度最高而首先发生闪蒸。鉴于管路系统热容很大,全氟三乙胺汽化潜热仅为水汽化潜热2257 kJ/ kg 的4% ,忽略蒸发过程中的潜热影响,工质温度维持不变。阶段IV,驱动管路系统中的液体工质向外排放的动力只有顶部管路与排放口高度差引起的重位压降,排放速度近似恒定。当顶部管路中的液体排放完,液气界面下移,重位压降减小,液体工质的排放速度将不断降低,排放也将随之进入阶段V。此时,重位压降可能不足以驱动液体工质自流,工质的排放依赖于从排放管口逆向上传的闪蒸波的传播。因此,以下将重点对阶段II、IV 和V 进行详细分析。

流体回路排放过程示意图

图2 流体回路排放过程示意图

  3、结论

  通过对流体回路在真空1/6 g 重力环境中的液体工质排放过程进行初步分析,结合液体闪蒸及闪蒸波理论,分析液体排放过程特征,试验观测并测量全氟三乙胺闪蒸特性,计算了排放过程各主要阶段需要的时间,可以得到如下结果:

  a)流体回路液体工质排放时间长短主要取决于压力排放段、重力辅助驱动排放段及闪蒸波传播段三个阶段所需的排放时间;

  b)复杂构型的流体回路管路中,压力排放段排放时间短且可忽略重力影响,重力辅助驱动排放段依赖于重力加速度大小、构型、姿态等,闪蒸波传播段所需时间最长,闪蒸波在回路系统中的传播速度主要取决于工质的当地饱和蒸汽压;

  c)试验观测了全氟三乙胺闪蒸波传播速度约0.23 m/ s,比用简化模型计算值偏大。

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