【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】低溫推進(jìn)劑在重力突變(如可回收火箭關(guān)機(jī)、重啟及航天器軌道機(jī)動等)引起的重定位過程中的界面運(yùn)動和熱力學(xué)行為，對空間低溫推進(jìn)劑管理至關(guān)重要。然而，液氧等低溫流體具有極低的表面張力、黏度、潛熱及飽和溫度，其在重定位過程中的氣液界面演化與熱力學(xué)響應(yīng)顯著區(qū)別于常溫流體，且伴隨復(fù)雜的液氣相變與界面不連續(xù)現(xiàn)象。當(dāng)前對相關(guān)現(xiàn)象規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)制的理解仍不充分，嚴(yán)重制約了空間低溫推進(jìn)劑管理技術(shù)的發(fā)展。
 

　　針對上述挑戰(zhàn)，力學(xué)所杜王芳、趙建福團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)楊光、吳靜怡團(tuán)隊(duì)合作，基于前期利用北京落塔完成的國際首次液氧工質(zhì)地基短時落塔實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合多組分低溫?cái)?shù)值模擬平臺MulComCryoFOAM數(shù)值仿真分析，系統(tǒng)研究了部分充液液氧貯箱內(nèi)氣液界面運(yùn)動與熱力學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn)，在由常重力進(jìn)入微重力(4×10-3g0)后2.5s內(nèi)，貯箱內(nèi)氣液界面中心經(jīng)歷了3個完整周期的阻尼振蕩過程。約0.86秒時貯箱壁面三相接觸線第一次回退，部分液體未能隨主液區(qū)液體回落，而是在非平衡相變區(qū)域(即蒸發(fā)與冷凝共存的過渡帶)由局部曲率梯度和表面張力梯度共同作用產(chǎn)生的顯著界面應(yīng)力矩作用下，在貯箱內(nèi)壁形成一層與主液區(qū)運(yùn)動解耦的薄液膜。薄液膜隨后與壁面間長時間的熱交換，導(dǎo)致蒸發(fā)效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，抑制了接觸線再次回退時形成新的薄液層。貯箱內(nèi)氣體溫度在接觸線最大爬升高度之上不受界面波動的影響，僅由壁面熱傳導(dǎo)主導(dǎo)，升溫速率為0.19 K/s。同時，薄液膜蒸發(fā)引起壓力顯著的瞬態(tài)變化，是貯箱內(nèi)瞬態(tài)熱-力耦合響應(yīng)的關(guān)鍵觸發(fā)源，最大增壓速率高達(dá)3227 Pa/s，約為穩(wěn)態(tài)增壓速率的1.8倍。該成果揭示了低溫推進(jìn)劑在微重力重定位過程中界面動力學(xué)與相變熱力學(xué)的耦合機(jī)制，為空間低溫推進(jìn)劑管理裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵理論支撐。
 

　　相關(guān)工作已于近日發(fā)表于Energy期刊，力學(xué)研究所杜王芳副研究員和上海交通大學(xué)楊光副教授為共同通訊作者。研究獲得國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(52276013、51936006)、微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(NML202408)、國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2022YFF0503502)、上海市重大科技項(xiàng)目(2025KJB-QT-071501)和北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(L241004)等的支持。
 

圖1 低溫流體兩相流落塔實(shí)驗(yàn)臺
 

圖2 重力突變引起的液面振蕩與薄液膜形成示意圖
 

　　圖3 落艙下落過程中液面振蕩(a)、薄液膜特征(b)及模擬貯箱內(nèi)壓力(c)和溫度(d)的演化
 

圖4 貯箱內(nèi)液氧相變速率(藍(lán)色曲線)和相應(yīng)的增壓速率(紅色曲線)